Digital gesteuertes lineares Netzteil - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

In meinen Teenagerjahren, vor etwa 40 Jahren, habe ich ein duales lineares Netzteil entwickelt. Den Schaltplan habe ich aus einer Zeitschrift namens „Elektruur“, heute in den Niederlanden „Elektor“genannt. Dieses Netzteil verwendet ein Potentiometer für die Spannungseinstellung und eines für die Stromeinstellung. Nach vielen Jahren funktionierten diese Potentiometer nicht mehr richtig, was es schwierig machte, eine stabile Ausgangsspannung zu erhalten. Dieses Netzteil ist im Bild dargestellt.

In der Zwischenzeit habe ich als Teil meines Hobbys Embedded Software Entwicklung mit dem PIC Mikrocontroller und der Programmiersprache JAL angefangen. Da ich mein Netzteil immer noch nutzen möchte – ja man kann heutzutage günstigere Switchmode-Varianten kaufen – kam mir die Idee, die alten Potentiometer durch eine digitale Version zu ersetzen und so war ein neues PIC-Projekt geboren.

Zum Einstellen der Spannung des Netzteils verwende ich einen PIC 16F1823-Mikrocontroller, der 6 Drucktasten wie folgt verwendet:

• Ein Taster zum Ein- oder Ausschalten der Ausgangsspannung, ohne das Netzteil komplett ein- oder ausschalten zu müssen
• Ein Druckknopf zum Erhöhen der Ausgangsspannung und ein weiterer Druckknopf zum Verringern der Ausgangsspannung
• Drei Drucktasten, die als Preset verwendet werden können. Nachdem Sie eine bestimmte Ausgangsspannung eingestellt haben, kann diese genaue Spannung mit diesen voreingestellten Drucktasten gespeichert und abgerufen werden

Das Netzteil kann eine Spannung zwischen 2,4 Volt und 18 Volt mit einem maximalen Strom von 2 Ampere ausgeben.

Schritt 1: Das ursprüngliche Design (Revision 0)

Ich habe einige Änderungen am ursprünglichen Schaltplan vorgenommen, um ihn für die Steuerung mit dem digitalen Potentiometer geeignet zu machen. Da ich in der Vergangenheit nie das Original-Potentiometer für die Stromeinstellung verwendet habe, habe ich es entfernt und durch einen Festwiderstand ersetzt, der den maximalen Strom auf 2 Ampere begrenzt.

Das schematische Diagramm zeigt das Netzteil, das um den alten, aber zuverlässigen Spannungsregler LM723 herum aufgebaut ist. Ich habe auch eine Leiterplatte dafür erstellt. Der LM723 verfügt über eine temperaturkompensierte Referenzspannung mit Strombegrenzung und einem weiten Spannungsbereich. Die Referenzspannung des LM723 geht an das digitale Potentiometer, dessen Schleifer mit dem nicht invertierenden Eingang des LM723 verbunden ist. Das digitale Potentiometer hat einen Wert von 10 kOhm und kann über eine serielle 3-Draht-Schnittstelle in 100 Schritten von 0 Ohm auf 10 kOhm umgestellt werden.

Dieses Netzteil verfügt über ein digitales Volt- und Amperemeter, das seinen Strom von einem 15-Volt-Spannungsregler (IC1) erhält. Diese 15 Volt werden auch als Eingang für den 5 Volt Spannungsregler (IC5) verwendet, der den PIC und das digitale Potentiometer versorgt.

Der Transistor T1 wird verwendet, um den LM723 abzuschalten, der die Ausgangsspannung auf 0 Volt bringt. Der Leistungswiderstand R9 wird verwendet, um den Strom zu messen, der einen Spannungsabfall über dem Widerstand verursacht, wenn Strom durch ihn fließt. Dieser Spannungsabfall wird vom LM723 verwendet, um den maximalen Ausgangsstrom auf 2 Ampere zu begrenzen.

In diesem ersten Design sind der Elektrolytkondensator und der Leistungstransistor (Typ 2N3055) nicht auf der Platine. In meinem ursprünglichen Design von vor vielen Jahren war der Elektrolytkondensator auf einer separaten Platine, also habe ich das beibehalten. Der Leistungstransistor ist zur besseren Kühlung auf einer Kühlplatte außerhalb des Schrankes montiert.

Die Drucktasten befinden sich auf der Frontplatte des Schranks. Jeder Druckknopf wird von den 4k7-Widerständen auf der Platine hochgezogen. Die Druckknöpfe sind mit Masse verbunden, wodurch sie aktiv niedrig sind.

Für dieses Projekt benötigen Sie folgende elektronische Komponenten (siehe auch Revision 2):

• 1 PIC-Mikrocontroller 16F1823
• 1 digitales Potentiometer von 10k, Typ X9C103
• Spannungsregler: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• Brückengleichrichter: B80C3300/5000
• Transistoren: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Dioden: 2 * 1N4004
• Elektrolytkondensatoren: 1 * 4700 uF/40V, 1 * 4,7 uF/16V
• Keramikkondensatoren: 1 * 1 nF, 6 * 100 nF
• Widerstände: 1*100 Ohm, 1*820 Ohm, 1*1k, 2*2k2, 8*4k7
• Leistungswiderstand: 0,33 Ohm / 5 Watt

Ich habe auch eine Leiterplatte entworfen, die im beigefügten Screenshot und Bild gezeigt wird.

Schritt 2: Das überarbeitete Design (Revision 2)

Nachdem ich die Leiterplatten bestellt hatte, kam mir die Idee, eine Funktion hinzuzufügen, die ich „Spannungsschutz“nenne. Da ich im PIC noch viel Programmspeicher zur Verfügung hatte, entschied ich mich, den eingebauten Analog-Digital-Wandler (ADC) des PIC zu verwenden, um die Ausgangsspannung zu messen. Steigt oder sinkt diese Ausgangsspannung – aus welchen Gründen auch immer – wird die Stromversorgung abgeschaltet. Dies schützt den angeschlossenen Stromkreis vor Überspannung oder verhindert einen Kurzschluss. Dies war Revision 1, die eine Erweiterung von Revision 0, dem ursprünglichen Design, darstellt.

Obwohl ich das Design mit einem Steckbrett getestet habe (siehe Bild), war ich damit immer noch nicht zufrieden. Manchmal schien es, als ob sich das digitale Potentiometer nicht immer genau an der gleichen Position befand, z. B. beim Wiederherstellen eines voreingestellten Wertes. Der Unterschied war klein, aber beunruhigend. Es ist nicht möglich, den Wert des Potentiometers abzulesen. Nach einigem Nachdenken habe ich eine Revision 2 erstellt, die eine kleine Überarbeitung von Revision 1 ist. In diesem Design, siehe schematisches Diagramm Revision 2, habe ich kein digitales Potentiometer verwendet, sondern den eingebauten Digital-Analog-Wandler (DAC) des PIC zur Steuerung der Ausgangsspannung über den LM723. Das einzige Problem war, dass der PIC16F1823 nur einen 5-Bit-DAC hat, was nicht ausreichte, da die Auf- und Abschritte zu groß wären. Aus diesem Grund bin ich auf einen PIC16F1765 umgestiegen, der einen 10-Bit-DAC an Bord hat. Diese Version mit dem DAC war zuverlässig. Ich konnte immer noch die ursprüngliche Leiterplatte verwenden, da ich nur einige Komponenten entfernen, 1 Kondensator ersetzen und 2 Drähte hinzufügen muss (1 Draht wurde bereits für das Hinzufügen der Spannungserkennungsfunktion von Revision 1 benötigt). Ich habe auch den 15-Volt-Regler auf eine 18-Volt-Version geändert, um die Verlustleistung zu begrenzen. Siehe das schematische Diagramm von Revision 2.

Wenn Sie sich also für dieses Design entscheiden möchten, müssen Sie im Vergleich zu Revision 0 Folgendes tun:

• Ersetzen Sie den PIC16F1823 durch einen PIC16F1765
• Optional: Ersetzen Sie den 78L15 durch einen 78L18
• Entfernen Sie das digitale Potentiometer Typ X9C103
• Entfernen Sie die Widerstände R1 und R15
• Ersetzen Sie den Elektrolytkondensator C5 durch einen Keramikkondensator von 100 nF
• Stellen Sie eine Verbindung zwischen IC4 Pin 13 (PIC) zu IC2 Pin 5 (LM723) her
• Stellen Sie eine Verbindung zwischen IC4 Pin 3 (PIC) und IC2 Pin 4 (LM723) her

Ich habe auch die Platine aktualisiert, aber diese Version nicht bestellt, siehe Screenshot.

Schritt 3: (Dis) Montage

Auf dem Bild sehen Sie das Netzteil vor und nach dem Upgrade. Um die Löcher, die von den Potentiometern gemacht wurden, abzudecken, fügte ich eine Frontplatte auf die Frontplatte des Gehäuses. Wie Sie sehen können, hatte ich ein duales Netzteil gemacht, bei dem beide Netzteile völlig unabhängig voneinander sind. Dadurch ist es möglich, sie in Reihe zu schalten, falls ich eine höhere Ausgangsspannung als 18 Volt benötige.

Aufgrund der Leiterplatte war der Zusammenbau der Elektronik einfach. Denken Sie daran, dass sich der große Elektrolytkondensator und der Leistungstransistor nicht auf der Leiterplatte befinden. Das Foto zeigt, dass für Revision 2 einige Komponenten nicht mehr benötigt werden und 2 Drähte benötigt wurden, eines um die Spannungserkennungsfunktion hinzuzufügen und das andere aufgrund des Ersatzes des digitalen Potentiometers durch den Digital-Analog-Wandler des PIC-Mikrocontrollers.

Natürlich benötigen Sie einen Transformator, der 18 Volt AC, 2 Ampere liefern kann. In meinem ursprünglichen Design habe ich einen Ringkerntransformator verwendet, weil sie effizienter (aber auch teurer) sind.

Schritt 4: Die Software für Revision 0

Die Software führt die folgenden Hauptaufgaben aus:

• Steuerung der Ausgangsspannung des Netzteils über das digitale Potentiometer

• Behandeln Sie die Funktionen der Drucktasten, die sind:

  • Einschalten / Ausschalten. Dies ist eine Umschaltfunktion, die die Ausgangsspannung auf 0 Volt oder auf die zuletzt ausgewählte Spannung setzt
  • Spannung hoch/Spannung runter. Mit jedem Tastendruck geht die Spannung leicht nach oben oder leicht nach unten. Wenn diese Tasten gedrückt bleiben, wird eine Wiederholungsfunktion aktiviert
  • Preset speichern/Preset abrufen. Jede Spannungseinstellung kann im EEPROM des PIC gespeichert werden, indem der Preset-Taster für mindestens 2 Sekunden gedrückt wird. Durch kürzeres Drücken wird der EEPROM-Wert für diese Voreinstellung abgerufen und die Ausgangsspannung entsprechend eingestellt

Beim Einschalten werden alle Pins des PIC als Eingang gesetzt. Um zu verhindern, dass am Ausgang des Netzteils eine undefinierte Spannung anliegt, bleibt der Ausgang auf 0 Volt, bis der PIC in Betrieb ist und das digitale Potentiometer initialisiert wird. Diese Abschaltung wird durch den Pull-Up-Widerstand R14 erreicht, der dafür sorgt, dass der Transistor T1 den LM723 abschaltet, bis er vom PIC freigegeben wird.

Der Rest der Software ist direkt nach vorne. Taster werden abgetastet und wenn etwas geändert werden muss, wird der Wert des digitalen Potentiometers über eine dreiadrige serielle Schnittstelle geändert. Beachten Sie, dass das digitale Potentiometer auch eine Option zum Speichern der Einstellung bietet, diese jedoch nicht verwendet wird, da alle Einstellungen im EEPROM des PIC gespeichert werden. Die Schnittstelle zum Potentiometer bietet keine Möglichkeit, den Wert des Wischers zurückzulesen. Immer wenn der Wischer also auf einen bestimmten Wert voreingestellt werden soll, wird der Wischer als erstes in die Nullposition zurückgestellt und ab diesem Zeitpunkt die Anzahl der Schritte gesendet, um den Wischer in die richtige Position zu bringen.

Um zu verhindern, dass das EEPROM bei jedem Tastendruck geschrieben wird und damit die Lebensdauer des EEPROMs verringert wird, wird der Inhalt des EEPROMs 2 Sekunden nachdem die Taster nicht mehr betätigt werden geschrieben. Dies bedeutet, dass nach der letzten Änderung der Taster mindestens 2 Sekunden vor dem Einschalten der Stromversorgung gewartet werden muss, um sicherzustellen, dass die letzte Einstellung gespeichert wird. Beim Einschalten startet das Netzteil immer mit der zuletzt ausgewählten Spannung, die im EEPROM gespeichert ist.

Die JAL-Quelldatei und die Intel Hex-Datei zum Programmieren des PIC für Revision 0 sind beigefügt.

Schritt 5: Die Software für Revision 2

Für Revision 2 sind die wichtigsten Änderungen in der Software die folgenden:

• Die Spannungserkennungsfunktion wurde hinzugefügt, indem die Ausgangsspannung des Netzteils gemessen wurde, nachdem sie eingestellt wurde. Dazu wird der ADC-Wandler des PIC verwendet. Mit Hilfe des ADC nimmt die Software Abtastwerte der Ausgangsspannung und wenn die Ausgangsspannung nach einigen Abtastungen etwa 0,2 Volt höher oder niedriger als die eingestellte Spannung ist, wird die Stromversorgung abgeschaltet.
• Verwenden Sie den DAC des PIC, um die Ausgangsspannung des Netzteils zu steuern, anstatt ein digitales Potentiometer zu verwenden. Durch diese Änderung wurde die Software einfacher, da die 3-Draht-Schnittstelle für das digitale Potentiometer nicht erstellt werden musste.
• Ersetzen Sie die Speicherung im EEPROM durch die Speicherung im High Endurance Flash. Der PIC16F1765 hat kein EEPROM an Bord, verwendet aber einen Teil des Programm-Flash zum Speichern nichtflüchtiger Informationen.

Beachten Sie, dass die Spannungserkennung anfänglich nicht aktiviert ist. Beim Einschalten werden die folgenden Tasten auf Drücken überprüft:

• Ein-/Aus-Druckknopf. Wenn gedrückt, werden beide Spannungserkennungsfunktionen ausgeschaltet.
• Druckknopf nach unten. Wenn gedrückt wird die Unterspannungserkennung aktiviert.
• Drucktaste nach oben. Wenn gedrückt wird die Hochspannungserkennung aktiviert.

Diese Spannungserkennungseinstellungen werden im High Endurance Flash gespeichert und beim erneuten Einschalten der Stromversorgung abgerufen.

Die JAL-Quelldatei und die Intel Hex-Datei zum Programmieren des PIC für Revision 2 sind ebenfalls beigefügt.

Schritt 6: Das Endergebnis

Im Video sehen Sie das Netzteil Revision 2 in Aktion, es zeigt die Ein-/Ausschaltfunktion, Spannungserhöhung/Spannungsabsenkung und die Verwendung der Voreinstellungen. Für diese Demo habe ich auch einen Widerstand an das Netzteil angeschlossen, um zu zeigen, dass wirklicher Strom durch ihn fließt und dass der maximale Strom auf 2 Ampere begrenzt ist.

Wenn Sie daran interessiert sind, den PIC-Mikrocontroller mit JAL – einer Pascal-ähnlichen Programmiersprache – zu verwenden, besuchen Sie die JAL-Website.

Viel Spaß beim Erstellen dieses Instructable und freuen uns auf Ihre Reaktionen und Ergebnisse.