Первый проект. Приставка к лабораторному блоку питания или адапетру питания для расширения возможностей.

Практика Электричество Электроника Схема Печатная плата

Попробую применить накопленные в электронике и программировании знания, для разработки собственного проекта.

Тех. задание: Разработать блок питания с регулируемым выходным напряжением и фиксированным входным напряжением. Уточнения:

  1. выходных напряжения должно быть два, каждое должно устанавливаться своим элементом управления;
  2. блок должен позволять формировать синусоиду и меандр заданной частоты;
  3. болк должен формировать отрицательное напряжение;
  4. все формируемые блоком величины должны быть визуализированны на дисплее.

Все. Т.к техзадание ставлю я сам себе, то в некоторых частях сделаю упрощения и по мере реализации возможно буду менять условия :), если что-то не будет получаться.

И так, пранализировав требования видно, что одно микросхемой LM317 не обойтись, попробую нарисовать блок схему будущего устройства.

  1. схема будет содержать микроконтроллер для контроля и визуализации;
  2. схема будет построена на базе LM317
  3. т.к в наличии у меня только блок питания выдающий 6Вт и 15Вольт(хотя по спецификации должен выдавать 12 максимум), то он будет использован в качестве входного напряжения.
  4. т.к схема может быть в будущем запитана от другого источника, то для упрощения рассчетов я сделаю стабилизацию входного напряжения на уровне 10В, если напряжение входное будет ниже 10В, то блок должен отключать подачу напряжения на выход. Это нужно для дальнейших рассчетов делителей и прочего.
  5. для запитки микроконтроллера в схеме будет присутсвовать L7805

В общем схему уже можно сформировать:

Общая блок схема лабораторного блока питания

С микросхемами определился, это L7805, LM317, в качестве микроконтроллера буду использовать Atmega8, в качестве дисплея визуализации MT-12864J.

Почему atmega8, а не attiny45 или 13, т.к достаточно много ножек нужно для управления дисплеем, а так же весь контроль за входами и выходами так же лежит на микроконтроллере.

Этап 1, блок формирования питания:

Схема формирования опорного напряжения 10В:

Схема в LTSpice опорного питания

Зеленым цветом обведена схема отключения питания, красным цветом обведена схема стабилизации.

Схема отключения питания

Схема отключения питания состоит из: 1) тразистор BD140 2) резисторы 3) микросхема TL431A, программируемый стабилитрон

R1, R2, R3 образуют делитель напряжения и формирует напряжение для сравнения с опорным 2.54В, если на ножку TL431 подается напряжение ниже 2.54В он запирается, если выше, то он открывается. R1 и R2 бразуют преове плечо делителя, азовем его П1, R3 - второе П2, напряжение на ножке будет - Uref, напряжение питания V1.

формула номер
Uref=V1(П2/(П1+П2)) (1)

V1 возьму больше 10, т.к 1.2В теряется на стабилизаторе LM317 и возможны потери на транзисторе BD140, если он перейдет из режима отсечки в активный режим, а такое возможно при больших токах.

V1 путсь будет 13В, т.е он будет отпираться при 13 вольтах.

Uref=2.5

Поставлю в формулу 1 значения:

2.5=13(П2/(П1+П2))

2.5П1+2.5П2=13П2

2.5П1=10.5П2

П1=4.2П2

Пусть П1=1.5Кома (R1)

тогда П2=6.3Кома или R1=4.7К и R2=1.5K (у меня есть такие ближайшие номиналы)

R5 и R4 - токозадающие резисторы для транзистора и для программируемого стабилитрона. При закрытом транзисторе, для формирования опорного напряжения 2.54В, необходимо питание для TL431А, поэтому он питается через цепочку R5 и R4, а вот когда он откроется R4 становится токозадающим для транзистора и именно он совместно с нагрузкой должен держат транзистор в насыщении, т.е ток базы должен быть достаточно большим. На R4 в этом случае падает 0.7В, поэтому его ток очень мал. А вот на TL431A в этот момент падает 2Вольта, т.е на R5 падает V1-0.7-Utl431a=13-0.7-2=10.3В.

Рассчитаю резистор для базы транзистора, упрощу схему, пренебрегу резистором R5.

Упрощенная схема

R1 здесь резистор базы и R2 - резистор нагрузки. V1 по схеме 15В, но изначально я рассчитывал на 13В, поэтому приведу рассчет для 13Вольт.

чтоб транзистор был в насыщении, на нагрузочном резисторе должно падать напряжение(Uн) больше чем V1, а т.к. это невозможно, значит транзистор в насыщении.

Uн=I1*R2

I1=B*Iб

Iб=(V1-0.7)/Rб

итого: Uн=(B*(V1-0.7)*R2)/R1

и Uн должно быть больше V1, тогда транзистор нахидится в насыщении.

Подставлю значения: V1=13В, B=160, Uн=V1 и превращу в неравенство:

(B*(V1-0.7)*R2)/R1>V1

(160*(13-0.7)*R2)/R1>13

(1968*R2)/R1>13

умножу на R1: 1968*R2>13*R1

разделю на 13: 151.38*R2>R1

худьший случай, это максимальный ток 0.5А, при максимальном выходном напряжении 10.4В, т.е R2=20Ом, тогда R1 должно быть меньше 3000Ом из формулы. Но учитывая, что бетта гуляет, я значение уменшил в 3 раза, чтоб уж наверняка в насыщении был транзистор и ток через базу и TL431A, был не более 25мА, чтоб не ставить дополнительных радиаторов. Выше упоминалось, что на этом базовом резисторе будет падать 10 Вольт, и того 10мА - приемлемо. Но при этом не тсоит забывать о мощности резистора: 10.3В * 0.01А=0.1Ватт, а если подать в качестве питания 15Вольт, то и подвно 0.15 Ват, я взял 3 резистора по 0.5Ват каждый и 330Ом, чтоб на каждом рассеивалось максимум по 1/3 от 0.15, т.е по 0.05Ватт. Есть запас, греться не будут.

Схема стабилизации

Здесь все проще, беру онлайн калькулятор и рассчитываю номиланы резисторов для LM317 калькулятор Получаю:

LM317 рассчет

Первая строка калькулятора - это точный рассчет, вторая - подгонка под имеющиеся номиналы резисторов. 1622 - это 1500 + 100 + 22 Ома. 10.47 на выходе меня тоже устраивает.

Моделирование

Моделирование

Зеленая полоса - это входное питание, синяя - это напряжение выдаваемое на нагрузку в худьшем случае, т.е 0.5А. Вроде работает, еще раз повторюсь, что сделал срабатывание стабилитрона на 13В, чтоб был запас между выходным 10В и входным, на случай, если таки транзистор уйдет в активный режим и на нем, будет падение напряжения.

Набор схемы в KiCad

В качестве среды проектирования печатной платы я выбрал KiCad, за его хорошее руководство для "чайников". Вот набранная схема и печатная плата:

Схема

К первоначальной рассчетной схеме добавлен стабилизатор 5В, L7805.

Плата

Итого, получилось устройство, которое входное напряжение 13+ вольт преобразует в 5В и 10В.

Фото:

Устройство в сборе

Видео работы:

По видео видно, холостой ход питающей схемы - 20 мА, это то что идет на TL431А

Полезные ссылки, которые были использованы при проведении опытов, а так же при рассчетах

  1. LM317 регулируемый стабилизатор напряжения и тока. Характеристики, онлайн калькулятор, datasheet
  2. Простейший компенсационный стабилизатор напряжения.
  3. Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе.
  4. Описание регулируемого стабилитрона TL431. Схемы включения, цоколевка, аналоги, datasheet
  5. TL431, что это за "зверь" такой?

Добавить комментарий

Следующая запись Предыдущая запись