Джерело живлення на ATmega8 - Мікроконтролери і Технології

Наша сеть партнеров Banwar

Дата публікації: 23 жовтень 2012.

Хороший, надійний і простий у використанні блок живлення є найбільш важливим і часто використовуваним пристроєм в кожній радіоаматорського лабораторії.

Промисловий стабілізований блок живлення є досить дорогим пристроєм. Використовуючи мікроконтролер при конструюванні джерела живлення можна побудувати пристрій, який має багато додаткових функцій, легко в приготуванні і дуже доступно.

Цей цифровий джерело живлення постійного струму був дуже успішним продуктом, і зараз доступна його третя версія. Він як і раніше заснований на тій же ідеї, що і перший варіант, але поставляється з рядом хороших поліпшень.

Вступ

Цей блок живлення є найменш складним у виготовленні, ніж більшість інших схем, але має набагато більше функцій:
- На дисплеї відображаються поточні виміряні значення напруги і струму.
- На дисплеї відображається попередньо задані межі напруги та струму.
- Використовуються тільки стандартні компоненти (без спеціальних чіпів).
- Потрібно напруги харчування однієї полярності (немає окремого негативного напруга живлення для операційних підсилювачів або керуючої логіки)
- Ви можете управляти блоком живлення з комп'ютера. Ви можете вважати струм і напруга, і ви можете встановити їх простими командами. Це дуже корисно для автоматизованого тестування.
- Невелика клавіатура для безпосереднього введення бажаного напруги і максимального струму.
- Це дійсно невеликий, але потужне джерело живлення.

Можливо видалити деякі компоненти або додати додаткові функції? Хитрість полягає в тому, щоб перемістити функціональність аналогових компонентів, таких як операційні підсилювачі в мікроконтролер. Іншими словами, підвищується складність програмного забезпечення, алгоритмів і зменшується апаратна складність. Це зменшує загальну складність для вас, так як програмне забезпечення може бути просто завантажено.

Основні електричні ідеї проекту
Давайте почнемо з найпростішого стабілізованого блоку живлення. Він складається з 2-х основних частин: транзистора і стабілітрона, який створює опорну напругу.

Вихідна напруга цієї схеми буде складати Uref мінус 0,7 Вольт, які падають між В і Е на транзисторі. Стабілітрон і резистор створюють опорну напругу, яке є стабільним, навіть якщо на вході є скачки напруги. Транзистор необхідний для комутації великих струмів, які стабілітрон і резистор не можуть забезпечити. У такій ролі транзистор тільки підсилює потік. Щоб розрахувати струм на резисторі і стабілітроні потрібно вихідний струм поділити на HFE транзистора (HFE число, яке можна знайти в таблиці з характеристиками транзистора).

Які проблеми в цій схемі?
- Транзистор згорить, коли буде коротке замикання на виході.
- Вона забезпечує тільки фіксовану вихідну напругу.

Це досить жорсткі обмеження, які роблять цю схему непридатною для нашого проекту, але вона є основою для конструювання блок живлення з електронним управлінням.

Для подолання цих проблем необхідно використовувати «інтелект», який буде регулювати струм на виході і міняти опорний напруги. Ось і все (... і це робить схему набагато складніше).

В останні кілька десятиліть люди використовують операційні підсилювачі, щоб забезпечити цей алгоритм. Операційні підсилювачі в принципі можуть бути використані як аналогові обчислювачі для додавання, віднімання, множення або для здійснення операції логічного "або" напруг і струмів.

В даний час всі ці операції можна швидко виконати за допомогою мікроконтролера. Вся принадність у тому, що ви отримаєте в якості безкоштовного доповнення вольтметр і амперметр. У всякому разі мікроконтролер повинен знати вихідні параметри струму і напруги. Вам просто потрібно відобразити їх. Що нам потрібно від мікроконтролера:
- АЦП (аналого-цифровий перетворювач) для вимірювання напруги і струму.
- ЦАП (цифро-аналоговий перетворювач) для управління транзистором (регулювання опорного напруги).

Проблема в тому, ЦАП повинен бути дуже швидким. Якщо буде виявлено коротке замикання на виході, то ми повинні негайно зменшити напругу на базі транзистора в іншому випадку він згорить. Швидкість реакції повинна бути в межах мілісекунд (так швидко, як операційний підсилювач).

ATmega8 має АЦП, який є досить швидким, і на перший погляд він не має ЦАП. Можна використовувати широтно-імпульсну модуляцію (ШІМ) і аналоговий фільтр нижніх частот, щоб отримати ЦАП, але ШІМ сам по собі дуже повільний в програмному відношенні для реалізації захисту від короткого замикання. Як побудувати швидкий ЦАП?

R-2R матриця

Є багато способів для створення цифро-аналогових перетворювачів, але він повинен бути швидким і простим, який буде легко взаємодіяти з нашим мікро контролером. Існує схеми перетворювача, відомого як "R-2R матриця". Він складається тільки з резисторів і перемикачів. Використовуються два типи номіналу резисторів. Один із значенням R і один з подвоєним значенням R.

Один із значенням R і один з подвоєним значенням R

Вище показана схема 3 бітного R2R - ЦАП. За допомогою логічного управління відбувається перемикання між GND і Vcc. Логічна одиниця поєднує перемикач з Vcc, а логічний нуль з GND. Що робить ця схема? Вона регулює напругу з кроком Vcc / 8. Загальна вихідна напруга дорівнює:
Uout = Z * (Vcc / (Zmax +1), де Z разрадность ЦАП (0-7), в даному випадку 3-бітний.

Внутрішній опір ланцюга, як видно, буде так само R.

Замість використання окремого перемикача можна підключити R-2R матрицю до ліній порту мікроконтролера.

Створення сигналу постійного струму різного рівня за допомогою ШІМ (широтно-імпульсна модуляція)

Широтно-імпульсна модуляція є методом, коли генерують імпульси і пропускають їх через фільтр нижніх частот з частотою зрізу значно нижче, ніж частота імпульсів. В результаті сигнал постійного струму і напруги залежить від ширини цих імпульсів.

В результаті сигнал постійного струму і напруги залежить від ширини цих імпульсів

У Atmega8 присутній апаратний 16-бітних ШІМ. Тобто теоретично можна мати 16-бітний ЦАП за допомогою невеликої кількості компонентів. Щоб отримати реальний сигнал постійного струму з ШІМ-сигналу треба його відфільтрувати, це може бути проблемою при високій роздільній здатності. Чим більше треба точності, тим нижче повинна бути частота ШІМ-сигналу. Це означає, що потрібні конденсатори великої ємності, а час відгуку виходить дуже повільним. Перша і друга версії цифрового джерела живлення постійного струму були побудовані на 10 бітної R2R матриці. Тобто максимальна вихідна напруга може бути встановлено за тисяча двадцять чотири кроку. Якщо використовувати ATmega8 з тактовим генератором частотою 8 МГц і 10 бітний ШІМ, то імпульси ШІМ сигналу будуть мати частоту 8MHz / 1 024 = 7.8KHz. Щоб отримати найбільш хороший сигнал постійного струму потрібно відфільтрувати його фільтром другого порядку від 700 Гц або менше.

Можна уявити, що станеться, якщо використовувати 16-бітний ШІМ. 8MHz / 65536 = 122Hz. Нижче 12Hz, то що потрібно.

Об'єднання R2R-матриці і ШІМ

Можна спільно використовувати ШІМ і R2R-матрицю. У цьому проекті ми будемо використовувати 7-бітну R2R-матрицю в поєднанні з 5-бітовим ШІМ-сигналом. З тактовою частотою контролера 8 МГц і 5-бітовим дозволом ми отримаємо сигнал 250 кГц. Частота 250 кГц може бути перетворена в сигнал постійного струму за допомогою невеликого числа конденсаторів.

В оригінальній версії цифрового джерела живлення постійного струму був використаний 10-бітний ЦАП на основі R2R-матриці. У новому дизайні ми використовуємо R2R-матрицю і ШІМ із загальним дозволом 12 біт.

передискретизація

За рахунок деякого часу обробки можна збільшити дозвіл аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Це називається передіскретізаціей. Четверная передискретизація дає результат в подвійному дозволі. Тобто: 4 послідовних зразків можуть бути використані для отримання в два рази більше кроків на АЦП. Теорія, що лежить передискретизации пояснюється в PDF документ, який ви можете знайти в кінці цієї статті. Ми використовуємо передискретизации для напруги контуру управління. На поточний контур управління ми використовуємо вихідне дозвіл АЦП як швидкий час відгуку тут більш важливим, ніж дозвіл.

Детальний опис проекту

Кілька технічних деталей, як і раніше відсутні:
- ЦАП (цифро-аналоговий перетворювач) не може керувати силовим транзистором
- Мікроконтролер працює від 5V, це означає що максимальний вихід ЦАП дорівнює 5V, а максимальна вихідна напруга на силовому транзисторі буде 5 - 0.7 = 4.3V.

Щоб виправити це, ми повинні додати підсилювачі струму і напруги.

Додавання підсилювального каскаду на ЦАП

При додаванні підсилювача ми повинні мати на увазі, що він повинен працювати з великими сигналами. Більшість конструкцій підсилювачів (наприклад, для аудіо) робиться в припущенні, що сигнали будуть малі в порівнянні з напругою живлення. Так що забудьте все класичні книги про розрахунок підсилювача для силового транзистора.

Ми могли б використовувати операційні підсилювачі, але ті зажадають додаткового позитивного і негативного напруги харчування, які ми хочемо уникнути.

Існує також додаткова вимога, що підсилювач повинен посилювати напругу від нуля в стабільному стані без коливань. Простіше кажучи не повинно бути ніяких коливань напруги при включенні харчування.

Нижче показана схема підсилювального каскаду, який підходить для цієї мети.

Почнемо з силового транзистора. Ми використовуємо BD245 (Q1). Відповідно до характеристиками транзистор має HFE = 20 на 3А. Тому він буде споживати близько 150 мА на базі. Щоб посилити керуючий струм ми використовуємо зв'язку відому як "Дарлінгтон-транзистор". Для цього використовуємо транзистор середньої потужності. Як правило, значення HFE повинно бути 50-100. Це дозволить зменшити необхідний струм до 3 мА (150 мА / 50). Струм 3mA є сигналом, що надходять з малопотужних транзисторів, таких як BC547 / BC557. Транзистори з таким вихідним струмом дуже добре підходять для побудови підсилювача напруги.

Транзистори з таким вихідним струмом дуже добре підходять для побудови підсилювача напруги

Щоб отримати на виході 30В ми повинні посилювати 5В йдуть з ЦАП з коефіцієнтом 6. Для цього ми об'єднуємо PNP і NPN транзистори, як показано вище. Напруга коефіцієнта посилення цієї схеми обчислюється:
Vampl = (R6 + R7) / R7

Блок живлення може бути доступний в 2-х версіях: з максимальним виходом напругою 30 і 22В. Поєднання 1K і 6.8K дає коефіцієнт 7,8, який хороший для версії 30В, але можливо будуть деякі втрати на більш високих токах (наша формула є лінійної, але в реальності немає). Для 22В версії ми використовуємо 1K і 4.7K.

Внутрішній опір ланцюга, як показано на базі BC547 буде:
Rin = hfe1 * S1 * R7 * R5 = 100 * 50 * 1К * 47K = 235 МОм
- HFE приблизно від 100 до 200 для BC547 транзистор
- S є нахил кривої посилення транзистора і близько 50 [одиниця = 1 / Ohm]

Це більш ніж достатньо високою для підключення до нашого ЦАП, який має внутрішній опір 5кОм.
Внутрішнє еквівалентний опір виходу:

Rout = (R6 + R7) / (S1 + S2 * R5 * R7) = близько 2Ом

Досить низька, щоб використовувати транзистор Q2.

R5 пов'язує базу BC557 з емітером, що означає "вимкнено" для транзистора до ЦАП і BC547 придумати. R7 і R6 зв'язати основі Q2 спочатку до землі, яка відключає вихідний каскад Дарлінгтона вниз.

Іншими словами, кожен компонент в цьому усилительном каскаді спочатку вимкнений. Це означає, що ми не отримаємо від транзисторів ніяких вхідних і вихідних коливань при увімкненні або вимкненні живлення. Це дуже важливий момент. Я бачив дорогі промислові джерела живлення в яких бувають перепади напруги при виключенні. Такі джерела, безумовно, слід уникати, оскільки вони можуть легко вбити чутливі пристрої.

межі

З попереднього досвіду я знаю, що деякі радіоаматори хотіли б "налаштувати" пристрій під себе. Ось список апаратних обмежень і шляхи їх подолання:

BD245B: 10A 80Вт. 80Вт при температурі 25'C. Іншими словами є запас потужності з розрахунку 60-70Вт: (Max input voltage * Max current) <65Вт.

Ви можете додати другий BD245B і збільшити потужність до 120Вт. Щоб переконатися, що поточна розподіляється порівну додати 0,22Ом резистор в емітер лінії кожного BD245B. Та ж схема і плата може бути використана. Встановіть транзисторів на належному кулер алюмінію і з'єднати їх з короткими проводами до плати. Підсилювач може управляти другий транзистор харчування (це максимум), але ви, можливо, необхідно відрегулювати коефіцієнт посилення.

Шунт для вимірювання струму: Ми використовуємо резистор 0,75Ом потужністю 6Вт. Потужності досить вистачає при струмі 2,5 А. (Iout ^ 2 * 0,75 <= 6Вт). Для великих струмів використовуйте резистори відповідної потужності.

Джерела живлення

Ви можете використовувати трансформатор, випрямляч і конденсатори великої ємності або можете використовувати адаптер для ноутбука 32 / 24В. Я пішов за другим варіантом, тому що адаптери іноді продаються дуже дешево (по акції), а деякі з них забезпечують 70Вт при 24В або навіть 32В постійної напруги.

Більшість радіоаматорів, ймовірно, будуть використовувати звичайні трансформатори, тому що їх легко дістати.
Для версії 22В 2.5A потрібно: 3A 18В трансформатор, випрямляч і 2200мкФ або 3300мкФ конденсатор. (18 * 1,4 = 25В)
Для версії 30В 2A потрібно: 2.5A 24В трансформатор, випрямляч і 2200мкФ або 3300мкФ конденсатор. (24 * 1,4 = 33.6В)

Чи не зашкодить якщо використовувати більш потужний по току трансформатор. Випрямний міст з 4 діодів з низьким падінням напруги (наприклад, BYV29-500) дає набагато кращі характеристики.

Перевірте ваш пристрій на випадок поганої ізоляції. Переконайтеся, що буде не можливо доторкнутися до будь-якої частини пристрою, де може бути напруга 110/230 В. З'єднати все металеві частини корпусу на землю (НЕ GND схеми).

Трансформатори і адаптери живлення для ноутбуків

Якщо ви хочете використовувати два або більше джерела живлення в своєму пристрої, щоб отримати позитивне і негативне напруга, тоді важливо, щоб трансформатори були ізольовані. Будьте обережні з адаптерами харчування для ноутбуків. Малопотужні адаптери ще можуть підійти, але в деяких з них може бути підключений мінусовій контакт на виході з контактом землі на вході. Це можливо викличе коротке замикання через заземлення при використанні двох джерел живлення в блоці.

Інші напруга і струм

Є два варіанти 22В 2.5A і 30В 2A. Якщо ви хочете змінити межі вихідної напруги або струму (тільки зменшити), то просто змініть файл hardware_settings.h.

Приклад: Щоб побудувати 18В 2.5A версію ви просто міняєте в файлі hardware_settings.h максимальна вихідна напруга 18В. Ви можете використовувати 20В 2.5A джерело живлення.

Приклад: Щоб побудувати 18В 1.5A версію ви просто міняєте в файлі hardware_settings.h максимальна вихідна напруга до 18В і макс. ток 1.5A. Ви можете використовувати 20В 1.5A джерело живлення.
тестування

Останній елемент встановлений на плату повинен бути мікроконтролер. Перед тим, як встановити його я рекомендував би зробити деякі основні тести обладнання:

Test1: Підключити невелика напруга (досить 10В) до вхідних клем плати і переконайтеся, що регулятор напруги видає рівно 5В постійної напруги.

Test2: Виміряйте вихідна напруга. Воно повинно бути 0В (або близьке до нуля, наприклад, 0,15, і воно буде прагнути до нуля, якщо ви підключите замість навантаження резистори на 2кОм або 5кОм.)

Test3: Встановити мікроконтролер на плату і завантажити програмне забезпечення LCD-тест, виконавши команди в директорії розпакованого пакета tar.gz digitaldcpower.
зробити test_lcd.hex
зробити load_test_lcd

Ви повинні побачити на дисплеї напис: "LCD works".

Тепер ви можете завантажити робоче програмне забезпечення.

Деякі слова попередження для подальшого тестування з робочим програмним забезпеченням: Будьте обережні з короткими замиканнями, поки ви не зазнали функцію обмеження. Безпечним способом перевірити обмеження струму є використання резисторів з малим опором (одиниці Ом), наприклад, автомобільні лампочки.

Встановіть низький обмеження струму, наприклад, 30мА при 10В. Ви повинні побачити що напруга зменшиться одразу майже до нуля, як тільки ви підключите лампочку на виході. Існує несправність в ланцюзі, якщо напругу не знижується. За допомогою автомобільної лампи можна захистити ланцюг харчування, навіть якщо є несправність, оскільки вона не робить короткого замикання.

Програмне забезпечення

Цей розділ дасть вам розуміння того, як працює програма, і як ви можете використовувати знання, щоб зробити деякі зміни в ній. Однак слід пам'ятати, що захист від короткого замикання зроблена програмним способом. Якщо ви зробили десь помилку, то захист може не спрацювати. Якщо у вас станеться коротке замикання на виході, то ваш пристрій виявиться в хмарі диму. Щоб уникнути цього, ви повинні використовувати 12В автомобільну лампу (див. Вище) для перевірки захисту від короткого замикання.

Тепер трохи про структуру програми. При першому погляді на основну програму (файл main.c, скачати в кінці цієї статті), ви побачите, що є тільки кілька рядків коду ініціалізації, які виконуються при включенні харчування, а потім програма входить в нескінченний цикл.

Дійсно, в Цій Програмі є два нескінченних циклу. Одним з них є основною цикл ( "while (1) {...}" у файлі main.c), а інший представляє собою періодичне переривання від аналогового цифрового перетворювача (функція "ISR (ADC_vect) {...}" у файлі analog.c). Після ініціалізації переривання виконується кожні 104мкс. Всі інші функції і код виконуються в контексті одного з цих циклів.

Переривання може зупинити виконання завдання основного циклу в будь-який час. Потім воно буде оброблятися, не відволікаючись на інші завдання, а далі виконання завдання знову продовжиться в головному циклі на місці, де вона була перервана. З цього можна зробити два висновки:
1. Код переривання не повинен бути занадто довгим, тому що він повинен завершитися до наступного переривання. Тому що тут важливо кількість інструкцій в машинний код. Математична формула, яка може бути записана у вигляді одного рядка Сі-коду може використовувати до сотні рядків машинного коду.
2. Змінні, які використовуються в функції переривання і в коді головного циклу можуть раптово змінитися в середині виконання.

Все це означає, що такі складні речі, як оновлення дисплея, перевірка кнопок, перетворення струму і напруги повинні бути зроблено в тілі головного циклу. В переривання ми виконуємо завдання критичні за часом: вимір струму і напруги, захист від перевантаження і настройка ЦАП. Щоб уникнути складних математичних розрахунків в переривання вони виконуються в одиницях ЦАП. Тобто в тих же одиницях що і АЦП (цілі значення від 0 ... 1023 для струму і 0 .. 2047 для напруги).

Це основна ідея програми. Я також коротко поясню про файли які ви знайдете в архіві (за умови, що ви знайомі з Сі).
main.c - цей файл містить основну програму. Все ініціалізації виробляються тут. Основний цикл також реалізується тут.
analog.c - аналого-цифровий перетворювач, все що працює в контексті переривання завдання може бути знайдено тут.
dac.c - цифро-аналоговий перетворювач. Ініціалізується з ddcp.c, але використані тільки з analog.c
kbd.c - програма обробки даних з клавіатури
lcd.c - драйвер ЖК-дисплея. Це спеціальна версія, в якій не знадобиться RW контакт дисплея.

Завантаження і використання програмного забезпечення

Для завантаження програмного забезпечення в мікроконтролер вам потрібен програматор, такий як avrusb500. Ви можете завантажити zip архіви програмного забезпечення в кінці статті.

Відредагуйте файл hardware_settings.h і налаштуйте його відповідно до вашим обладнанням. Тут ви також можете зробити калібрування вольтметра і амперметра. Файл добре прокоментований.

Підключіть кабель до программатору і до вашого пристрою. Потім встановіть біти конфігурації на роботу мікроконтролера від внутрішнього генератора частотою 8МГц. Програма призначена для цієї частоти.

кнопки

Блок живлення має 4 кнопки для місцевого управління напругою і макс. струмом, 5-я кнопка служить для збереження налаштувань в пам'яті EEPROM, щоб наступного разу при включенні блоку були ці ж налаштування напруги і струму.

U + збільшує напругу і U - зменшує. Коли ви тримаєте кнопку, то через деякий час показання будуть "бігти" швидше, щоб легко змінити напругу у великих межах. Кнопки I + і I - працюють так само.

дисплей

Індикація дисплея виглядає наступним чином:

Стрілка праворуч вказує на те, що в даний час працює обмеження по напрузі. Якщо є коротке замикання на виході або підключений пристрій споживає більше встановленого струму, то стрілка буде висвітлюватися в нижньому рядку дисплея, що означає включення обмеження по струму.

Деякі фотографії пристрою

Ось деякі фотографії джерела живлення який я збирав.

Він дуже маленький, але з більш широкими можливостями і більш потужними, ніж багато інших джерел живлення: