Cena laboratorních zdrojů, i těch nejjednodušších, je pro leckteré zájemce o elektroniku velmi vysoká. A všeobecně i jiných laboratorních přístrojů pro provozování tohoto koníčku. Cena se tak stává jednou z překážek o zájem v tomto oboru. Přitom je laboratorní zdroj (nastavitelný napájecí zdroj) pravděpodobně tím nejzákladnějším kusem vybavení, a je doporučováno s ním (tedy s jeho stavbou) začít. Dnes se podíváme na konstrukci jednoduchého laboratorního zdroje, který je však řízen mikroprocesorem AVR, díky tomu disponuje řadou výhod, jednou z nich je i nízká cena celého zařízení.

Tento článek vychází z anglického originálu, návodu na stavbu digitálního napěťového zdroje od Guida Sochera. Odkaz na originální stránku v angličtině naleznete v sekci odkazy.

Úvod:

V roce 2002 jsem pro server linuxfocus.org napsal článek o DC napájecím zdroji řízeným pomocí mikroprocesoru. Článek měl veliké ohlasy, ačkoliv návrh obvodu byl celkem složitý, a konstrukce byla určena spíše zkušenějším. Tudíž jsem připravil novou verzi tohoto zdroje, který je nejenom jednodušší, ale má i více funkcí:

• Jsou použity pouze levné a lehce dostupné součástky.
• Obvod neobsahuje operační zesilovače, není zapotřebí zdroj záporného napětí.
• Displej zobrazuje žádané i aktuální hodnoty napětí a proudu ve stejný čas.
• Můžete řídit celý zdroj pomocí PC skrze sériové rozhraní.
• Je velmi malý a velmi výkonný

Jak bylo vůbec možné vyndat komponenty a zároveň přidat nové funkce? Trik spočívá v převedení co největšího počtu funkcí, které předtím zajišťovaly analogové obvody, do mikrokontroléru. Jinými slovy, aby se mohla snížit složitost zapojení, bylo potřeba zvýšit složitost softwaru. Pomohl také přechod z obvodu AT90S4433 na MCU Atmega8, který toho umí podstatně více.

Základy návrhu:

Zajisté jsem mohl poskytnout jen schéma zapojení a nějaké instrukce na stavbu a oživení přístroje, jak to dělají např. výrobci různých kitů a stavebnic. Zařízení by určitě fungovalo i tak, ale v čem je zábava, když nebudete vědět proč tomu tak je. Rád poskytuji kvalitní dokumentaci ke svým zařízením, zjistil jsem, že je mnohem větší zábava, když postavím něco, jehož funkci rozumím.
 
Na obrázku níže je zobrazen asi nejjednodušší stabilizovaný zdroj napětí. Skládá se pouze ze tří součástek: rezistor, tranzistor a zenerova dioda.

Výstupní napětí tohoto obvodu je: Uref - 0.7V(cca).  Hodnota 0.7V je napěťový úbytek na přechodu báze – emitor tranzistoru, v závorce je uvedeno cca., poněvadž různé typy tranzistorů mají na tomto přechodu různé úbytky. Zenerova dioda spolu s rezistorem vytváří zdroj referenčního napětí, který je stabilní, i když vstupní napětí kolísá nebo je zašuměno. Tranzistor je zde potřeba k poskytnutí vyššího proudu, než který je schopný zajistit odpor se zenerovou diodou. V tomto zapojení zde tedy slouží jako prostý zesilovač proudu. Jeho velikost bude záviset na proudu, který přitéká do báze tranzistoru a samozřejmě na jeho hfe. 

Problémy s tímto zapojením:

• Žádná ochrana tranzistoru proti zkratu na výstupu.
• Poskytuje pouze fixní výstupní napětí.

Toto jsou hlavní důvody, proč se takovéto obvody nevyskytují v koncových aplikacích. Jedná se však stále o nejjednodušší stavební blok a je základem pro všechny regulovatelné zdroje stabilizovaného napětí.Pro překonání těchto problémů je potřeba nějaká dodatečná „inteligence“, která bude regulovat výstupní proud a referenční napětí. To je vše, a to je také to co dělá zapojení zdrojů složitým.
 
Posledních pár dekád se právě pro účely této „inteligence“ používaly operační zesilovače. Jejich všestrannost je více než známá, dají se použít i jako analogové kalkulátory (sčítání, odčítání, násobení, logický OR) napětí a proudů. Pro amatéra jsou však návrhy (ne konstrukce, jen návrh jako takový) s nimi vcelku složité. 

Dnešní mikrokontroléry jsou natolik rychlé, že všechno potřebné se dá implementovat jako software. Krása tohoto spočívá, že získate takové věci jako voltmetr a ampérmetr skoro zadarmo (když nepočítám čas strávený sezením před počítačem). Program běžící na MCU musí nějakým způsobem znát hodnotu napětí a proudu (z důvodu správné fukce zpětné vazby a stabilizace). Co tedy budeme od našeho mikrokontroléru potřebovat (mimojiné):

• AD převodník k měření hodnoty napětí a proudu v reálném čase
• DA převodník k nastavení správného referenčního napětí pro výkonový tranzistor

Problém je, že použitý DA převodník musí být velice rychlý a to z jednoduchého důvodu. Pokud budou výstupy zdroje zkratovány, musí být okamžitě redukováno napětí na bázi tranzistoru (musí být uzavřen) jinak je velmi rychle zničen. Rychle se zde myslí několik málo milisekund (min. tak rychle jako to dokáží operační zesilovače).

Naštěstí použitý mikroprocesor Atmega8 má AD převodník, který je dostatečně rychlý, ale na první pohled nemá žádný DA převodník. Je možné použít pulzně šířkovou modulaci a analogový low-pass filtr (dolní propust) složený z odporu a kondenzátoru. Toto řešení je ale příliš pomalé na implementaci proudové ochrany v softwaru mikrořadiče. Jak postavit rychlý DA převodník?

R-2R žebřík

Je spousta možností jak postavit DA převodník, my ale potřebujeme rychlý, levný a jednoduše připojitelný k našemu mikroprocesoru. Pro naše účely perfektně poslouží jednoduchý DA převodník známý jako „R-2R žebřík“. Skládá se pouze z rezistorů a přepínačů. Jsou zde dva druhy odporů, jedny s nominální hodnotou R a druhé s hodnotou dvounásobnou - 2R. Funkci přepínačů zde zastoupý software a port mikrořadiče.

Na předešlém obrázku je zobrazen 3bitový R2R DA převodník. Řídící logika přepíná mezi nápájecím napětím a zemí. Logická „1“ znamená připojení daného odporu na napájecí napětí a logická „0“ odpovídá připojení na zem. Co tento obvod tedy dělá? Poskytuje napětí v 8 krocích (Vcc/8). Výstupní napětí je rovno: Z * (Vcc/(Zmax+1)), kde Z je desítkový zápis dvojkového čísla. V našem případě je rozlišení 3 bity, to odpovídá rozsahu 0-7.  Výstupní odpor celého zapojení je R.
 
Místo použití samostatných přepínačů tedy použijeme výstupní linky mikrokontroléru. Každý pin obvodu Atmega8, který je nastaven, jako výstupní může poskytnout cca. 10mA avšak za cenu nezanedbatelného ubýtku napětí. Rádi bychom využili celý rozsah od 0 do 5 Voltů, z tohoto důvodu by neměl proud na jeden výstup přesahovat hodnotu 1mA. Jinými slovy postavíme náš řebřík z odporů s hodnotou 5 a 10KOhmů.

AD převodník Atmegy má rozlišení 10bitů. Abychom tohoto potencionálu mohli zcela využít, je potřeba také 10bitového DA převodníku. Jinými slovy musíme mít k dispozici 10 výstupních pinů, které nejsou používány ničím jiným. Když vezmeme v úvahu, že v našem návrhu počítáme i s klávesnicí, LCD displejem a sériovým rozhraním I2C pro ovládání z počítače, je to už výzva. Naštěstí námi vybraný typ mikroprocesoru všechno toto zvládne.

Detailnější návrh zapojení:

Na následujícím obrázku je již detailnější ačkoliv stále blokové schéma našeho obvodu, na kterém lépe pochopíme funkci napájecího zdroje.

 V tomto zjednodušeném zapojení nejsou vyřešeny dva problémy, které vychází z návrhu našeho DA převodníku.

• DA převodník nemůže poskytnout dostatek proudu na ovládání výkonového tranzistoru
• Mikrokontrolér je napájen 5V, stejná je tedy i maximální hodnota kterou z našeho převodníku dostaneme a to také znamená, že maximální výstupní napětí (za tranzistorem) bude 5V - 0,7V = 4,3V.

S tím si však poradíme přidáním zesilovačů napětí a proudu.

Finální návrh:

Nesmíme však zapomenout na fakt, že použíté zesilovače musí umět zpracovat velké signály. Většina zesilovačů (např. pro audio) jsou navrhována s vědomím, že zesilovaný signál je daleko menší v porovnání s napájecím napětím. Takže klasické knihy o návrzích zesilovačů s tranzistory můžeme nechat ležet v polici.
Jistě mohli bychom použít operační zesilovače, ale neobešli bychom se bez symetrického napájecího zdroje, a tomu se právě snažíme vyhnout. Operační zesilovač se dá zapojit i bez symetrického zdroje, ale takové zapojení je o něco složitější a to jde také proti našim původném záměrům.

Je zde také další požadavek, zesilovač musí jít od nuly do stabilního stavu bez jakýchkoliv zákmitů nebo napěťových špiček. Jinými slovy, při zapnutí nebo změně hodnoty výstupního napětí nesmí docházet k nežádoucím jevům. (napěťové fluktuace, peaky, oscilace, zákmity atd.) Jak to tedy udělat? Není to tak jednoduchý úkol a vyžaduje jisté zkušenosti. Zde si rozebereme návrh finálního zapojení a potřebné výpočty.
 
Začneme s výkonovým tranzistorem (výstupní tranzistor). Podle údajů z datasheetu má tranzistor BD245B proudový zesilovací činitel hfe = 20 při výstupním proudu 3A. Nějakým způsobem tedy musíme dostat do báze tranzistoru 150mA. K zesílení proudu použijeme zapojení dvou tranzistorů známé jako darlingtonovo zapojení. Jako druhý tranzistor použijeme BD137 který umístíme před BD245. Jeho proudový zesilovací činitel je 50-100. Toto redukuje potřebný proud na méně jak 3mA (150mA / 50). Tuto hodnotu již v pohodě zvládnou tranzistory pro malé signály jako např. BC547/BC557. Jsou také velmi dobré jako zesilovače napětí.

Pro výstup zdroje 30V musíme výstupní napětí DA převodníku zesílit minimálně 6krát. Pro tento účel použijeme kombinaci PNP a NPN tranzistoru, jak je vidět na předešlém obrázku. Napěťový zesilovací činitel (faktor chcete-li) tohoto zapojení je roven:

Vampl= (R10 + R11)/R11

Napíjecí zdroj je dostupný ve dvou modifikacích. S maximálním výstupním napětím 30 a 22 Voltů. Kombinace odporu 1KOhm a  5,6KOhm dává faktor 6,6, který je dobrý pro verzi 30V, pro verzi do 22V použijeme odpory 1KOhm a 4,7KOhm.

Vstupní odpor tohoto zesilovače je roven:

Rin=hfe1 * S1 * R11 * R9 = 100 * 50 * 1K * 47K = 235 MOhm

- hfe je pro tranzistor BC547 100 - 200
- S je sklon křivky zesílení tranzistoru a je okolo 50 [jednotka = 1 / Ohm]

Výsledná hodnota je dostatečně veliká abychom mohli připojit zesilovač k našemu DA převodníku, který má odpor 5K, aniž bychom ho jakkoliv ovlivnili.
 
Výstupní odpor napěťového zesilovače je:

Rout= (R10 + R11) / (S1 + S2 * R9 * R11) = cca 2Ohm

Tedy dostatečně nízký na řízení tranzistoru BD137.

Rezistor R9 spojuje bázi BC557 s emitorem BC547, což znamená, že zůstává bezpečně uzavřený, dokud se neprobudí DA převodník a s ním tranzistor BC547. Rezistory R11 a R10 spojují bázi BD137 se zemí, a tak ho drží uzavřený a tím vypnutý i celý proudový zesilovač. Jinými slovy následující tranzistor se neotevře, pokud se neotevře tranzistor před ním. Tím máme také vyřešen problém s nežádoucími jevy jako oscilace nebo napěťové špičky při zapnutí přístroje.
 
A to je prakticky vše co je potřeba znát při návrhu tohoto přístroje. Přidají se ještě nějaké ochranné diody a kondenzátory k stabilizaci obvodu a jsme hotovi.

Schéma zapojení stejně tak DPS a rozvržení součástek jsou přiloženy v dokumentaci (sekce Odkazy & Download). V shora uvedeném obrázku jsou hodnoty součástek pro 22 Voltovou verzi zdroje. V závorce pro 30V.

Omezení

Z předchozích zkušeností vím, že každý rád přizpůsobuje zapojení k účelu, k jakému potřebuje. Zde je seznam hardwarových omezení a možnost jak je překonat:

• 78L05: max. vstupní napětí je 30V, Zenerova dioda ZD8.2 umožňuje vstup až 38V. Použitím diody s jinou hodnotou můžete tuto hranici poněkud posunout (nepřekračoval bych však hranici 45V). Maximální výstupní napětí zdroje by mělo být minimálně o 2V nižší než napětí napájecí.
• BD245B: 10A 80W při teplotě 25oC. Nesmíte zapomenout, že (P = Uoutmax * Ioutmax) < 80W (raději však 70W) a tomu také přizpůsobit nastavené parametry výstupního napětí a proudu. Další možností, pro zvýšení výstupního výkonu je přidat druhý tranzistor BD245B paralelně na první (max. 120W). K zajištění správné funkce proudového zesilovače přidejte rezistor 0,22Ohm před emitor každého tranzistoru. Jinou možností je kvalitní chlazení. Kterou z těchto možností použijete je na vašem uvážení.
• Bočník pro měřič proudu: Jedná se o rezistor 0.5 nebo 0.55 Ohm na 6W. Což je dostatečná hodnota i pro výstupní proud 3A (Iout2 * 0,55 <= 6W). Pro větší výstupní proudy použijte rezistory s větším ztrátovým výkonem.

Napájení pro digitální zdroj

Schéma je zde uvedeno bez napájecí části, to z toho důvodu, že tohle bude každý řešit podle svých vlastních možností. Jedno je dané, budete potřebovat filtrovaný zdroj stejnosměrného napětí s parametry přibližně 32V/3A (pro zdroj s Uout max. 30V a Iout max. 3A). Můžete buď použít transformátor, usměrňovač a filtrovací kondenzátory, nebo jiný zdroj napětí. Více než vhodné jsou i adaptéry k notebookům. Někdy se dají sehnat za velmi slušné ceny a není pro ně problém dosáhnout 100W i více, přičemž jsou velice malé a lehké.

Většina lidí sáhne po řešení s transformátorem. Jeho parametry a i ostatních součástek zdroje budou záviset na verzi výsledného laboratorního zdroje.

• Pro verzi 22V 2.5A: transformátor 18V 2.5A, Greatzův můstek a kondenzátor 3000uF. Po usměrnění a vyfiltrování tedy dostaneme 18 * 1.4 = 25V. Doporučuji minálně 1000uF na ampér.
• Pro verzi 30V 2A: transformátor 24V 2A, Greatzův můstek a kondenzátor 2200uF. Po usměrnění a vyfiltrování tedy dostaneme 24 * 1.4 = 33,6V. Doporučuji minálně 1000uF na ampér.

Greatzův můstek můžete použít jednopouzdrový nebo ho složit ze čtyř samostatných diod. Tak jako tak doporučuji nízkoúbytkové diody (např. BYV29-500).

Poznámka: Hodnoty transformátoru jsou pro funkci zdroje dostatečné, pokud však chcete mít zdroj „na max“ více jak 30 minut, podíval bych se po větším transformátoru.

Sestavení zdroje nebude, díky jeho jednoduchosti, pro většinu lidí žádný problém. Ale mějte neustále na paměti ochranu před úrazem elektrickým proudem a navrhněte zdroj tak, aby nebylo možno se dotknout živé části obvodu jakoukoliv částí těla.

Testování

Poté co zapájíte všechny součástky a patici mikrokontroléru, proveďte před jeho vložením pár základních testů.

• Test1: Připojte zdroj napětí (minimálně 15V) na vstup obvodu a zkontrolujte, jestli je za napěťovým stabilizátorem hodnota 5V.
• Test2: Změřte výstupní napětí, mělo by být 0V.
• Test3: Propojte pin 7 a pin 26 na patici mikrokontroléru drátem. Na výstupu by měla být hodnota o něco málo menší než jakou má zdroj zkušebního napětí. Odstraňte drátovou propojku. V tu chvíli by měla hodnota výstupu být opět na nule.
• Do mikrokontroléru nahrajte zkušební software LCD test, který se nachází v přiložené dokumentaci. Po připojení napětí by měl zobrazit „ok works“. Nyní můžeme nahrát finální verzi softwaru.
• Varování pro další testování obvodu s finálním softwarem: Buďte opatrní na zkraty na výstupu do té doby, než budete mít ověřenou funkci proudové pojistky. Bezpečná cesta jak toto odzkoušet je připojit na výstup rezistor s malým odporem (perfektně se hodí žárovka z auta). Nastavte pojistku na 30mA při 10V. Měli byste vidět okamžitý pokles výstupního napětí až na nulu, pokud se tak nestane, hledejte problém na desce (studené spoje, zkrat). Autožárovka ochrání obvod zdroje, i kdyby se zde takové chyby vyskytly (tedy ve většině případů).

Software

Každý soubor softwaru je důkladně odokumentován a jejich popis je v souboru README. Tento článek se zabývá více hardwarem. Proto zde nebudeme vysvětlovat jednotlivé funkce softwaru, to ať si projdou ti, kteří ho chtějí nějakým způsobem změnit k obrazu svému. Důležitý je akorát soubor s názvem hardware_settings.h do kterého se doplňují hodnoty vámi použitých součástek, aby byla zaručena správná funkce zdroje.

Konstrukce:

Zde je několik obrázků autorovi konstrukce:

Závěr:

Autor tohoto článku perfektně rozepsal základy a úskalí návrhu procesorem řízených zdrojů. Různých metod jak dosáhnout požadovaného výsledku je určitě více, tento jsem však vybral, protože mi přijde jako velice čistý a jednoduchý. Navíc zdroj obsahuje všechno co by měl a co také obsahují profesionální zařízení (požadovaná a aktuální hodnota elektrických veličin, proudová pojistka, ochrana výstupu aj.). A přitom všem si vystačíme s obyčejnými součástkami, jejichž dostupnost je bezproblémová, avšak za cenu složitějšího návrhu softwaru.

Odkazy & Download:

• Oficiální stránka projektu: http://www.linuxfocus.org/English/June2005/article379.shtml#379lfindex8
• Domovská stránka autora: http://linuxfocus.org/~guido/
• Download page projektu: http://www.linuxfocus.org/common/src2/article379/
• Archiv s dokumentací (*.zip)