Мощный лабораторный блок питания

Не так давно приобрёл паяльную станцию. Давно занимаюсь любительской электроникой, и вот настал момент когда точно осознал что пора. До этого пользовался батиным самопальным блоком, совмещавшим лабораторный блок питания и блок питания низковольтного паяльника. И вот встала передо мной проблема: паяльную станцию я ставлю, а старый блок держать ради хилого и не точного блока питания 0-30в 3А или таки купить нечто современное, с защитой по току и цифровыми индикаторами? Поползав по ебею понял что максимум что мне светит это за 7-10 тыс купить Китайский блок с током максимум в 5А. Жаба сказала своё веское «ква», руки зачесались и…

Теперь к сути. Сформировал требования к блоку: минимум 0-30В, при токах минимум 10А, с регулируемой защитой по току, и с точностью регулировки по напряжению 0.1В. И что б стало ещё интереснее — 2 канала, пусть и от общей земли. Установка напряжения должна быть цифровой, т.е. никаких переменных резисторов, только энкодеры. Фиксированные установки напряжения и запоминание — опционально.

Для индикации состояния выхода были выбраны цифровые китайские комбинированные индикаторы на ЖК, с диапазоном до 199В с точностью 0.1В и до 20А с точностью 0.01А. Что меня полностью устроило. А вот что забыл, так это прикупить к ним шунты, т.к. по наивности думал что они будут в комплекте.

Для первичного преобразования напряжения думал использовать обычный трансформатор с отводами через каждые 6В, коммутируемый релюшками с контроллера, а для регулировки выхода простой эмиттерный повторитель. И всё бы ничего, но когда узнал стоимость и габариты такого трансформатора (30В * 10А = 300вт), то понял что надо быть современнее и использовать импульсные блоки питания.

Пробежавшись по предложениям понял что ничего толкового на мои токи нет, а если и есть, то жаба категорически против. В связи с этим пришла мысль попробовать использовать компьютерные блоки питания, коих всегда у любого ITшника предостаточно. Были откопаны блоки по 350Вт, что обещало 22А по +5В ветке и 16А по 12В. Пробежавшись по интернету нашёл много противоречивых мнений по поводу последовательного соединения блоков, и нашёл умную статью на Радиокоте как это сделать правильно. Но перед этим решил рискнуть и таки взять и нахрапом соединить блоки последовательно, дав нагрузку.

… И получилось!
На фото последовательно соединены 3 блока. Де-факто на выходе 35В, 10.6А.

image

Далее возник вопрос: каким контроллером управлять. По идее ATMega328 тут идёт за глаза, но ЦАПы… Посчитав почём обойдётся хотя б 2 ЦАПа на 12 бит и посмотрев характеристики Arduino DUE с ними на борту, а так же сравнив кол-во требуемых ПИНов, понял что проще и дешевле и быстрее будет просто поставить эту ардуину в блок целиком, вместе с платой.

Постепенно на макетках родилась схема. Приведу её в общем виде, только для одного канала:

image

Схема бьётся на несколько функциональных блоков: Набор блоков питания ATX, блок коммутации БП, блок усилителя напряжения ЦАП Arduino, блок усилителя напряжения токового шунта, блок ограничения напряжения по заданному току.

Блок коммутации БП: В зависимости от заданного пользователем напряжения Ардуино выбирает какую ветку задействовать. Выбирается минимальная по напряжению ветка, на минимум +3В большая заданного. 3В остаются на неточности установки напряжения в блоках питания + ~1.2В просада напряжения на переходах транзистора + не большой запас. Одновременно задействованный ключ ветки активирует тот или иной блок питания. Например задав 24В надо активировать все 3 блока питания и подключить выход на +5в 3-го в цепочке, что даст на коллекторе выходного транзистора VT1 +29В, тем самым минимизируя выделяемую тепловую мощность транзистора.

Блок усилителя напряжения: Реализован на операционном усилителе OP1. ОУ используется Rail-to-Rail, однополярый, с большим напряжением питания, в моём случае — AD823. Причём выход ЦАП Ардуино имеет смещение нулевой точки = 0.54В. Т.е. если Вы задаёте напряжение выхода = 0, на выходе де-факто будет присутствовать 0.54В. Но нас это не устраивает, т.к. ОУ усиливает с 0, и напряжение тоже хочется регулировать с 0. Поэтому применён подстроечный резистор R1, вычитающий напряжение. А отдельный стабилизатор на -5В, вместо использования -5В ветки блока питания, используется ввиду нестабильности выдаваемого блоком питания напряжения, меняющимся под нагрузкой. Выход же ОУ охвачен обратной связью с выхода VT1, это сделано что б ОУ сам компенсировал изменения напряжения в зависимости от нагрузки на выходе.

Кстати, о AD823 из Китая по Ебею: день промучился, понять не мог, почему схема не работает от 0 на входе. Если больше 1.5В то всё становится нормально, а иначе всё напряжение питания. Уже подумав что сам дурак, нарвался на рассказ как человек вместо AD823 получил с Китая подделку. Тут же поехал в соседний магазин, купил там, поставил и… О чудо — всё сразу заработало как надо. Игра, найди отличия (подделка в кроватке, справа оригинал. Забавно что подделка выглядит лучше):

image

Далее усилитель напряжение токового шунта. Поскольку токовый шунт достаточно мощный, то и падение напряжения на нём мало, особенно на малых токах. Поэтому добавлен OP2, служащий для усиления напряжения падения шунта. Причём от быстродействия этого ОУ зависит скорость срабатывания предохранителя.

Сам предохранитель, а точнее блок ограничения тока, реализован на компараторе OP2. Усиленное напряжение, соответствующее протекаемому току, сравнивается с напряжением, установленным электронным потенциометром и если оно выше — компаратором открывается VT2, и тот сбрасывает напряжение на базе выходного транзистора, по сути выключая выход. В работе это выглядит так:

image

Теперь к тому, почему в качестве шунта у меня дроссель. Всё просто: как я писал раньше — я просто забыл заказать шунты. А когда уже собирал блок и это выявилось, то ждать с Китая показалось долго, а в магазине дорого. Поэтому не долго думая, порылся в распайке старых компьютерных блоков питания и нашёл дроссели, почти точно подошедшие по сопротивлению. Чуть подобрал и поставил. Дополнительно же это даёт защиту: В случае резкого изменения нагрузки, дроссель сглаживает ток на время, достаточное что б успел отработать ограничитель тока. Это даёт отличную защиту от КЗ, но есть и минус — импульсные нагрузки «сводят блок с ума». Впрочем, для меня это оказалось не критично.

В итоге у меня получился вот такой блок питания:
image
Надписи на лицевой части сделаны с помощью ЛУТа. Индикаторы работы блоков питания выведены на 2-х цветный светодиод. Где красный запитан от дежурных +5в и показывают что блок готов к работе. А зелёный от Power_Good, и показывает что блок задействован и исправен. В свою очередь транзисторная развязка обеспечивает гашение красного светодиода и если у блока проблема — потухнет и красный и зелёный:

image

Маленькие экраны показывают заданные параметры, большие — состояние выхода де-факто. Энкодерами вращением устанавливается напряжение, короткое нажатие — вкл/выкл нагрузки, длинное — выбор режима установки напряжения/максимального тока. Ток ограничен 12.5А на канал. Реально в сумме 15 снимается. Впрочем — на той же элементной базе, с заменой блоков питания на нечто 500-т Ваттное, можно снимать и по 20. Не знаю, стоит ли приводить тут код скетча, простыня большая и достаточно глупая, + везде торчат хвосты под недоделанный функционал вроде коррекции выходного напряжения по АЦП обратной связи и регулировки скорости вентилятора.

Напоследок, пара слов. Оказалось что Arduino DUE при включении после длительного простоя может не начать выполнять программу. Т.е. включаем плату, думаем что сейчас начнёт выполняться наша программа, а в ответ тишина, пока не нажмёшь reset. И всё бы ничего, но внутри корпуса reset нажимать несколько затруднительно.
Поискал по форуму, несколько человек столкнулось с такой же проблемой, но решения не нашли. Ждут когда разработчики поправят проблему. Мне ждать было лениво, поэтому пришлось решать проблему самому. А решение нашлось до безобразия примитивное, впаять электролитический конденсатор на 22мкФ в параллель кнопке. В результате, на момент запуска, пока идёт заряд этого конденсатора, имитируется нажатие кнопки reset. Отлично работает, прошиваться не мешает:

image

В заключение:
По-хорошему надо повесить на все радиаторы датчики температуры и регулировать скорость вентилятора в зависимости от температуры, но пока меня устроила и платка регулятора скорости вентилятора из какого-то FSPшного блока питания.

Ещё хотелось бы через АЦП обратную связь с блоком коммутации на случай залипания релюшки, а так же обратную связь по выходу, дабы компенсировать температурный дрейф подстроечных резисторов (в пределах 0.1в на больших напряжениях бывают отклонения).

А вот кнопки памяти и фиксированные настройки по опыту использования кажутся чем-то не нужным.
Ads
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More

Comments 27

    +5
    AT/ATX блоки питания очень не любят перекос по нагрузке (неравномерную нагрузку). Т. е., если вы нагружаете только линию +5v то могут как поплыть характеристики это или иных линий, так и сгореть всё нафиг.

    Я для себя выбрал простой и дубовый вариант. Мотать силовой трехобмоточный дроссель для сетевого изолированного обратноходового преобразователя на IRIS4013, под который я когда-то набрал необходимых компонентов, мне стало лень и я посмотрел на meanwell. Их импульсники в формате обычного ноутбучного блока питания стоят недорого (на тех мощностях, что мне нужны — до 100 Вт). Если нужно больше — есть Meanwell S-320 и подобные. Например, MW S-320-48 в терре стоит всего около 3к (описание www.terraelectronica.ru/pdf/MW/S-320.pdf), на 250 Вт — около 2к. А после такого развязанного импульсника с нормальным КПД (87% для 48v для S-320) можно сделать простой импульсный БП с КПД 0.9-0.97.

    В вашем случае на линейном регуляторе при выходе 5v 10A рассеется ~12W. Надеюсь, что выходные биполярники на радиаторах. С изоляцией, ессно.
      0
      Не спорю, мой способ был взят просто нахрапом, и на половину собран «из того что было».
      Ваш вариант существенно дороже и правильней. Но если не ориентироваться на готовые блоки то можно распаять имеющиеся ATX блоки питания, свести всё на один драйвер, сделать плавную регулировку. Получится в общем-то не хуже чем описано у вас, но существенно дешевле.

      Про перекосы знаю. Посмотрел даташиты тех драйверов что стоят в этих блоках, увидел что у всех них есть контроль обоих веток, так что по идее блок должен справляться. Покр мере я его уже месяц гоняю на различных нагрузках и Power good ни разу не гас.

      Выходные транзисторы, конечно, на радиаторе. И конечно изолированы. И более того — продумана схема воздушных потоков для охлаждения. На предфинальном фото видно что всё выстроено в ряд, вентилятор сбоку тоже можно рассмотреть. Некоторый перегрев возможен только у 3-го блока, того что стоит перпендикулярно первым двум. Хотя я слабо вижу необходимость снимать более 5-и А на напряжении в 30В. А на меньших нагрузках он не греется вообще.
        0
        Новые ATX не разбирал, а в более старых была очень популярна микросхема TL494 и аналоги. Но это копрофосилия мамонта. В современных заявляют наличие PFC и, по идее, должно быть что-то поновее. Раз вы смотрели — не расскажите?

        Проблема сборки чего-то на основе схемотехники заводского БП — посчитать и сделать силовой дроссель/трансформатор, что довольно геморройно и долго. Посмотрите аппноуты по расчетам.

        Насчет «существенно дешевле» не очень верится. На порядок не сэкономите. Раза в 2 — может быть. Но тут стоит учитывать, что серийное производство имеет меньшую стоимость компонент относительно штучного в разы.
          0
          Да, именно 494-я в одном и стоит. В других аналоги. У меня используются отрытые в помойке дремучие блоки на 350Вт, я писал. Поэтому их стоимость по сути равна нулю (ну разве что пришлось заменить пару электролитов на выходе, провести пропайку подозрительных элементов и проч мелочи.

          По поводу сборки на основе заводского БП — всё остаётся родное. И входные цепи и выходные дроссели и… Эх, проще ссылку дать, чем работать испорченным телефоном: radiokot.ru/circuit/power/supply/26/

          Стоимость… Честно говоря, сложно подсчитать. Но если считать именно по тому что именно покупал — весь блок обошёлся ~ в 4 тыс. Это и ОУ, и транзисторы и клеммки-провода и индикаторы и даже алюминий на корпус кстати, никогда бы не подумал что банальный лист алюминия может столько стоить
            0
            Вариант, ссылку на который вы привели, несколько сложнее и работает потому, что обмотка для 5v используется в довольно узком диапазоне (2-6v). Если хочется сделать блок питания без каскадирования источников с выходным напряжением 2-6v, то придется делать свой трансформатор.

            А как вариант «дешево и сердито» — вполне.
        0
        Кстати, что тут подумалось. А ведь в компьютере всегда есть перекос, причём значительный. Особенно если используется какая-либо современная мощная видеокарта, нагружающая, в массе своей, исключительно +12в ветку.
          0
          Под перекосом понимают неравную относительную нагрузку на линии (например, если 5v загружена на 2% от максимальной выходной мощности, а 12v на 80%). Сейчас и процессоры и видеокарты грузят сильно линию 12v. Поэтому на современных БП эта линия выдаёт довольно большой процент мощности. Они, в общем, проектируются с учетом разного потребления на разных линиях, так что при штатном использовании проблем нет.
        –12
        Неделя «спаяй сам» на хабре)
          0
          Круто. Использовать то что под рукой — очень похвально.

          П.С. Осцилограф точно такой же в хозяйстве есть, я на нем до 80МГц смотрел, хотя он держит до 50…
            0
            Осциллограф, кстати, тоже стоит в очередь на апгрейд. Но честно говоря пока и этого хватает за глаза. Да и предыдущий паяльный блок по сути устраивал, если б всё чаще не требовался фен и демонтажный пистолет.

            80МГц я на нём не смотрел, а вот Си-Би радиостанции с ним ремонтировать вполне получалось.
              0
              Кварцевый генератор от материнской платы смотрел, вот такого типа:
              image
              Я так понимаю характеристика даного осцилографа -3дБ на 50МГц, а на 80 крутой завал… потому как вместо 5В амплитуду показало гдето 0.1-0.2В
            0
            Как я понимаю, максимальная сила тока не регулируется — это минус. А во всем остальном — Класс!!! Сам пользую старенький китайский БП на 15В 2А, иногда не хватает. Задумывался о покупке, теперь подумаю о изготовлении. Мне и одного канала хватит.
              +2
              Почему не регулируется? Для регулировки максимального тока по сути и существует вся нижняя часть схемы.
                –2
                на передней панели присутствуют только по одному регулятору на канал. Я так понял, что регулируется именно напряжение
                  +3
                  Он же не просто аналоговый с каждой ручкой на каждый параметр.
                  Ток просто редко когда надо выкручивать «сверх стандартного», поэтому:
                  Энкодерами вращением устанавливается напряжение, короткое нажатие — вкл/выкл нагрузки, длинное — выбор режима установки напряжения/максимального тока.
              +1
              Много лет использую БП от PC для макетирования поделок. И вполне хватает БП мощностью 350 или 450 Вт. Набора напряжений вполне хватает без регулировки. Только убрал лишние провода, чтобы не мешались.
              Это самое простое и дешевое решение.
                +1
                В требованиях заметил предустановленные величины +5, +12 и т.д.
                А кнопок на панели не заметил. Как они выставляются?

                ЗЫ. «Морда» кстати понравилась. Красиво получилось.
                  0
                  Извиняюсь, мимо промазал. Ответил ниже.
                  Вкратце: поленился и решил что достаточно быстро можно и так накрутить.
                  0
                  Нет, планировался набор 3.3-5-6-9-12-15-24-27, но… оказалось что энкодером так просто и быстро можно «накрутить» любой номинал, что на этапе прототипа решил что не так оно мне и надо.

                  Да и вообще — поначалу думал клавиатуру для набора сделать, но тоже пришёл к выводу что всё это лишнее.

                  Хорошо я так лень оправдал, да?
                    0
                    Че за приборчики, щитовые вольт-амперметры, может ссылка сохранилась?
                      0
                      Приборчики эти нынче дорогие. Есть куча аналогов значительно дешевле. Но мне пришлось покупать второй такой же, ибо первый был куплен много ранее. Вот тут их ещё есть
                        0
                        Там вроде на 50А. Или там есть выбор перемычками? (цена жуть)

                        Приборчик по дизайну хорошо стыкуется с этим.
                          0
                          На сколько я понял там тупо всё от прошивки зависит и от шунтов.
                          В ваше случае там вообще трансформатор тока, но он работает только для переменки.

                          Честно говоря сам не понимаю чего они так на него цену задрали. Первый я и покупал за 10 чтоль баксов…
                          С другой стороны — очень уж удачные для лабораторника диапазоны подобраны.
                          Есть ещё светодиодные. Но светодиодные матрицы хоть и значительно дешевле, но мне категорически не нравятся внешне.
                      0
                      Вам надо было заглянуть сюда
                        0
                        Видел этот, и ещё пару аналогичных.
                        Да, тоже не плохие варианты. Но меня напугало установка напряжения ШИМом. Хотелось сделать нечто больменее линейное. Да, знаю, что ЦАПы тоже зачастую не линейные (ну не R-2R же), но…
                        0
                        Расскажите пожалуйста, что это у вас такое на заднем фоне слева на 1 и 4й фотографии — катушка на изоляторе? В качестве чего используется? Спасибо.
                          +1
                          Можно догадаться, что это простой проволочный эквивалент нагрузки. Проволока — в качестве мощной нагрузки, а лампочка — более слабой.

                        Only users with full accounts can post comments. Log in, please.