Nguồn điện tuyến tính được điều khiển kỹ thuật số: 6 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Trong những năm tôi còn sống, khoảng 40 năm trước, tôi đã tạo ra một nguồn điện tuyến tính kép. Tôi nhận được sơ đồ từ một tạp chí có tên là "Elektuur", ngày nay được gọi là "Elektor" ở Hà Lan. Nguồn điện này sử dụng một chiết áp để điều chỉnh điện áp và một chiết áp để điều chỉnh dòng điện. Sau nhiều năm, những chiết áp này không hoạt động chính xác nữa, dẫn đến việc khó có được điện áp đầu ra ổn định. Nguồn điện này được hiển thị trong hình.

Trong thời gian đó, tôi chọn phát triển phần mềm nhúng như một phần sở thích của mình, sử dụng vi điều khiển PIC và ngôn ngữ lập trình JAL. Vì tôi vẫn muốn sử dụng nguồn điện của mình - vâng bạn có thể mua các biến thể chế độ chuyển đổi rẻ hơn ngày nay - tôi đã có ý tưởng thay thế các chiết áp cũ bằng một phiên bản kỹ thuật số và do đó, một dự án PIC mới đã ra đời.

Để điều chỉnh điện áp của nguồn điện, tôi đang sử dụng vi điều khiển PIC 16F1823 sử dụng 6 nút nhấn như sau:

• Một nút nhấn để bật hoặc tắt điện áp đầu ra mà không cần bật hoặc tắt hoàn toàn nguồn điện
• Một nút nhấn để tăng điện áp đầu ra và một nút nhấn khác để giảm điện áp đầu ra
• Ba nút ấn được sử dụng làm cài đặt trước. Sau khi đã đặt một điện áp đầu ra nhất định, điện áp chính xác đó có thể được lưu trữ và truy xuất bằng cách sử dụng các nút nhấn đặt trước này

Bộ nguồn có khả năng xuất ra hiệu điện thế từ 2,4 Vôn đến 18 Vôn với cường độ dòng điện cực đại là 2 Ampe.

Bước 1: Thiết kế ban đầu (bản sửa đổi 0)

Tôi đã thực hiện một số sửa đổi đối với sơ đồ nguyên bản để làm cho nó phù hợp để điều khiển nó bằng chiết áp kỹ thuật số. Vì trước đây tôi chưa bao giờ sử dụng chiết áp gốc để điều chỉnh dòng điện trước đây nên tôi đã tháo nó ra và thay bằng một điện trở cố định, giới hạn dòng điện tối đa là 2 Ampe.

Sơ đồ sơ đồ cho thấy nguồn điện, được xây dựng xung quanh bộ điều chỉnh điện áp LM723 cũ nhưng đáng tin cậy. Tôi cũng đã tạo một bảng mạch in cho nó. LM723 có điện áp tham chiếu bù nhiệt độ với tính năng hạn chế dòng điện và dải điện áp rộng. Điện áp tham chiếu của LM723 đi đến chiết áp kỹ thuật số mà cần gạt nước được kết nối với đầu vào không đảo ngược của LM723. Chiết áp kỹ thuật số có giá trị 10 kOhm và có thể thay đổi từ 0 Ohm đến 10 kOhm trong 100 bước sử dụng giao diện nối tiếp 3 dây.

Bộ nguồn này có đồng hồ đo vôn & ampe kỹ thuật số nhận nguồn từ bộ điều chỉnh điện áp 15 Vôn (IC1). 15 Vôn này cũng được sử dụng làm đầu vào cho bộ điều chỉnh điện áp 5 Vôn (IC5) cấp nguồn cho PIC và chiết áp kỹ thuật số.

Transistor T1 được sử dụng để ngắt LM723 đưa điện áp đầu ra về 0 Volt. Điện trở nguồn R9 được sử dụng để đo dòng điện, gây ra giảm điện áp trên điện trở khi dòng điện chạy qua nó. Sự sụt giảm điện áp này được sử dụng bởi LM723 để giới hạn dòng điện đầu ra tối đa là 2 Ampe.

Trong thiết kế ban đầu này, Tụ điện và Transistor công suất (loại 2N3055) không có trên bảng. Trong thiết kế ban đầu của tôi từ nhiều năm trước, Tụ điện nằm trên một bo mạch riêng nên tôi đã giữ nó. Transistor công suất được gắn trên tấm làm mát bên ngoài tủ giúp làm mát tốt hơn.

Các nút ấn nằm trên bảng điều khiển phía trước của tủ. Mỗi nút nhấn được kéo lên cao bởi các điện trở 4k7 trên bảng. Các nút nhấn được kết nối với mặt đất khiến chúng hoạt động ở mức thấp.

Bạn cần các thành phần điện tử sau cho dự án này (xem thêm bản sửa đổi 2):

• 1 vi điều khiển PIC 16F1823
• 1 chiết áp kỹ thuật số 10k, loại X9C103
• Bộ điều chỉnh điện áp: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• Chỉnh lưu cầu: B80C3300 / 5000
• Bóng bán dẫn: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Điốt: 2 * 1N4004
• Tụ điện: 1 * 4700 uF / 40V, 1 * 4,7 uF / 16V
• Tụ gốm: 1 * 1 nF, 6 * 100 nF
• Điện trở: 1 * 100 Ohm, 1 * 820 Ohm, 1 * 1k, 2 * 2k2, 8 * 4k7
• Điện trở nguồn: 0,33 Ohm / 5 Watt

Tôi cũng thiết kế một bảng mạch in được hiển thị trong ảnh chụp màn hình và hình ảnh đính kèm.

Bước 2: Thiết kế sửa đổi (bản sửa đổi 2)

Sau khi đặt mua các bảng mạch in, tôi nảy ra ý tưởng thêm một tính năng mà tôi gọi là 'bảo vệ điện áp'. Vì tôi vẫn còn rất nhiều bộ nhớ chương trình trong PIC nên tôi quyết định sử dụng Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số (ADC) tích hợp của PIC để đo điện áp đầu ra. Trong trường hợp điện áp đầu ra này - vì bất kỳ lý do gì - tăng hoặc giảm, nguồn điện sẽ bị ngắt. Điều này sẽ bảo vệ mạch được kết nối chống lại quá điện áp hoặc sẽ dừng bất kỳ hiện tượng ngắn mạch nào. Đây là bản sửa đổi 1, là phần mở rộng của bản sửa đổi 0, thiết kế ban đầu.

Mặc dù tôi đã thử nghiệm thiết kế bằng breadboard (xem hình), tôi vẫn không hài lòng với nó. Đôi khi có vẻ như chiết áp kỹ thuật số không phải lúc nào cũng chính xác ở cùng một vị trí, ví dụ: khi khôi phục một giá trị đặt trước. Sự khác biệt là nhỏ nhưng đáng lo ngại. Không thể đọc giá trị của chiết áp. Sau một số suy nghĩ, tôi đã tạo một bản sửa đổi 2, một bản thiết kế lại nhỏ của bản sửa đổi 1. Trong thiết kế này, hãy xem sơ đồ sơ đồ bản sửa đổi 2, tôi không sử dụng chiết áp kỹ thuật số nhưng tôi đã sử dụng Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) tích hợp sẵn của PIC để điều khiển điện áp đầu ra thông qua LM723. Vấn đề duy nhất là PIC16F1823 chỉ có DAC 5-bit không đủ vì các bước lên và bước xuống sẽ quá lớn. Vì vậy, tôi đã chuyển sang PIC16F1765 có DAC 10-bit trên bo mạch. Phiên bản này với DAC là đáng tin cậy. Tôi vẫn có thể sử dụng bảng mạch in ban đầu vì tôi chỉ cần tháo một số thành phần, thay thế 1 tụ điện và thêm 2 dây (1 dây đã cần thiết để thêm tính năng phát hiện điện áp của bản sửa đổi 1). Tôi cũng đã thay đổi bộ điều chỉnh 15 Volt thành phiên bản 18 Volt để hạn chế tiêu hao điện năng. Xem sơ đồ của bản sửa đổi 2.

Vì vậy, nếu bạn muốn thực hiện thiết kế này, bạn cần thực hiện những việc sau so với bản sửa đổi 0:

• Thay thế PIC16F1823 bằng PIC16F1765
• Tùy chọn: Thay 78L15 bằng 78L18
• Tháo chiết áp kỹ thuật số loại X9C103
• Loại bỏ các điện trở R1 và R15
• Thay tụ điện C5 bằng tụ gốm 100 nF
• Tạo kết nối giữa IC4 chân 13 (PIC) với IC2 chân 5 (LM723)
• Tạo kết nối giữa IC4 chân 3 (PIC) với IC2 chân 4 (LM723)

Tôi cũng cập nhật bảng mạch in nhưng không đặt hàng phiên bản này, xem ảnh chụp màn hình.

Bước 3: (Dis) Assembly

Trong hình bạn thấy bộ nguồn trước và sau khi nâng cấp. Để che các lỗ do chiết áp tạo ra, tôi đã thêm một bảng điều khiển phía trước trên bảng điều khiển phía trước của tủ. Như bạn có thể thấy, tôi đã tạo ra một bộ nguồn kép trong đó cả hai bộ nguồn hoàn toàn độc lập với nhau. Điều này giúp bạn có thể mắc nối tiếp chúng trong trường hợp tôi cần điện áp đầu ra cao hơn 18 Volt.

Do bảng mạch in nên dễ dàng lắp ráp các thiết bị điện tử. Hãy nhớ rằng tụ điện lớn và bóng bán dẫn công suất không có trên bảng mạch in. Hình ảnh cho thấy rằng đối với bản sửa đổi 2, một số thành phần không cần thiết nữa và 2 dây là cần thiết để thêm tính năng phát hiện điện áp và dây còn lại do sự thay thế chiết áp kỹ thuật số bằng Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự của vi điều khiển PIC.

Tất nhiên bạn cần một máy biến áp có khả năng cung cấp 18 Volt AC, 2 Ampe. Trong thiết kế ban đầu của tôi, tôi đã sử dụng một máy biến áp lõi vòng vì chúng hiệu quả hơn (nhưng cũng đắt hơn).

Bước 4: Phần mềm sửa đổi 0

Phần mềm thực hiện các tác vụ chính sau:

• Điều khiển điện áp đầu ra của bộ nguồn thông qua chiết áp kỹ thuật số

• Xử lý các tính năng của các nút nhấn, đó là:

  • Bật / tắt nguồn. Đây là một chức năng chuyển đổi đặt điện áp đầu ra thành 0 Volt hoặc thành điện áp được chọn cuối cùng
  • Điện áp lên / Điện áp xuống. Với mỗi lần nhấn nút, điện áp sẽ tăng hoặc giảm nhẹ. Khi các nút nhấn này vẫn được nhấn, một chức năng lặp lại sẽ được kích hoạt
  • Lưu trữ đặt trước / Truy xuất cài đặt sẵn. Bất kỳ cài đặt điện áp nào cũng có thể được lưu trữ trong EEPROM của PIC bằng cách nhấn nút ấn đặt trước trong ít nhất 2 giây. Nhấn nó ngắn hơn sẽ lấy giá trị EEPROM cho giá trị đặt trước đó và đặt điện áp đầu ra tương ứng

Khi bật nguồn, tất cả các chân của PIC được đặt làm đầu vào. Để ngăn chặn việc có điện áp không xác định ở đầu ra của bộ nguồn, đầu ra vẫn ở 0 Volt cho đến khi PIC hoạt động và chiết áp kỹ thuật số được khởi động. Việc giảm công suất này đạt được nhờ điện trở kéo lên R14 đảm bảo rằng bóng bán dẫn T1 sẽ tắt LM723 cho đến khi nó được giải phóng bởi PIC.

Phần còn lại của phần mềm đang đi về phía trước. Các nút nhấn được quét và nếu có điều gì đó cần thay đổi, giá trị của chiết áp kỹ thuật số sẽ được thay đổi bằng cách sử dụng giao diện nối tiếp ba dây. Lưu ý rằng chiết áp kỹ thuật số cũng có tùy chọn để lưu cài đặt nhưng tùy chọn này không được sử dụng vì tất cả cài đặt được lưu trong EEPROM của PIC. Giao diện với chiết áp không cung cấp tính năng đọc giá trị của cần gạt nước trở lại. Vì vậy, bất cứ khi nào cần cài đặt trước cần gạt nước đến một giá trị nhất định, việc đầu tiên cần làm là đưa cần gạt nước về vị trí 0 và từ đó gửi số bước để gạt cần gạt nước về đúng vị trí.

Để tránh việc EEPROM được ghi với mỗi lần nhấn nút, và do đó làm giảm tuổi thọ của EEPROM, nội dung EEPROM được ghi 2 giây sau khi các nút nhấn không còn được kích hoạt. Điều này có nghĩa là sau lần thay đổi cuối cùng của các nút nhấn, hãy đảm bảo đợi ít nhất 2 giây trước khi chuyển nguồn để đảm bảo rằng cài đặt cuối cùng được lưu trữ. Khi được bật, nguồn điện sẽ luôn bắt đầu với điện áp được chọn cuối cùng được lưu trữ trong EEPROM.

Tệp nguồn JAL và tệp Intel Hex để lập trình PIC cho bản sửa đổi 0 được đính kèm.

Bước 5: Phần mềm cho Bản sửa đổi 2

Đối với bản sửa đổi 2, những thay đổi chính trong phần mềm như sau:

• Tính năng Phát hiện điện áp đã được thêm vào bằng cách đo điện áp đầu ra của nguồn điện sau khi nó đã được thiết lập. Đối với điều này, bộ chuyển đổi ADC của PIC được sử dụng. Sử dụng ADC, phần mềm sẽ lấy mẫu của điện áp đầu ra và nếu sau một vài mẫu điện áp đầu ra cao hơn hoặc thấp hơn khoảng 0,2 Volt so với Điện áp đã đặt, thì nguồn điện sẽ bị ngắt.
• Sử dụng DAC của PIC để điều khiển điện áp đầu ra của bộ nguồn thay vì sử dụng chiết áp kỹ thuật số. Thay đổi này làm cho phần mềm đơn giản hơn vì không cần phải tạo giao diện 3 dây cho chiết áp kỹ thuật số.
• Thay thế bộ nhớ trong EEPROM bằng bộ nhớ trong High Endurance Flash. PIC16F1765 không có EEPROM trên bo mạch nhưng sử dụng một phần của chương trình Flash để lưu trữ thông tin bất biến.

Lưu ý rằng tính năng Phát hiện điện áp không được kích hoạt ban đầu. Khi bật nguồn, các nút sau được kiểm tra xem có được đẩy không:

• Nút nhấn tắt / mở nguồn. Nếu được nhấn, cả hai tính năng phát hiện điện áp sẽ bị tắt.
• Nút ấn xuống. Nếu được nhấn, tính năng phát hiện điện áp thấp sẽ được kích hoạt.
• Nút ấn lên. Nếu được nhấn, tính năng phát hiện điện áp cao sẽ được kích hoạt.

Cài đặt phát hiện điện áp này được lưu trữ trong Đèn flash độ bền cao và được gọi lại khi nguồn điện được bật lại.

Tệp nguồn JAL và tệp Intel Hex để lập trình PIC cho phiên bản 2 cũng được đính kèm.

Bước 6: Kết quả cuối cùng

Trong video, bạn thấy bản sửa đổi bộ nguồn 2 đang hoạt động, nó cho thấy tính năng bật / tắt nguồn, tăng / giảm điện áp và cách sử dụng các cài đặt trước. Đối với bản trình diễn này, tôi cũng đã kết nối một điện trở với nguồn điện để cho thấy rằng dòng điện thực đang chạy qua nó và dòng điện tối đa được giới hạn ở 2 Ampe.

Nếu bạn quan tâm đến việc sử dụng vi điều khiển PIC với JAL - một ngôn ngữ lập trình giống Pascal - hãy truy cập trang web JAL.

Chúc bạn vui vẻ khi làm cuốn sách này có thể hướng dẫn và mong nhận được phản ứng cũng như kết quả của bạn.