PSA2

Лабораторный блок питания PSA2

Основные электрические характеристики


Выходное напряжение	0,1..40	В	*1
Ток ограничения	0,01..2	А	*1
Минимальный шаг установки напряжения	1	мВ
Минимальный шаг установки тока	1	мА
Скорость нарастания выходного напряжения	0,01..10⁴	В/сек	*2
Допустимое напряжение, прикладываемое к выходу отключенного БП	-50..+50	В
Дискретность измерения выходного напряжения	1	мВ
Дискретность измерения тока нагрузки	1 (0,1)	мА

Рабочая температура окружающей среды	+10..+40	°С

Примечания:
*1. Верхний предел напряжения и тока определяется используемым трансформатором и может быть изменён.
*2. Пределы регулирования.

Особенности конструкции и схемотехники

С целью получения минимального уровня помех в PSA2 используется линейный регулирующий элемент. В классических конструкциях лабораторных БП питание выходного каскада происходит чаще всего от выпрямителя фиксированным напряжением, иногда используется несколько ступеней с дискретным переключением с помощью реле, тиристоров, полевых транзисторов, либо линейный выходной каскад с многоуровневым питанием. При этом сам регулирующий элемент выходного каскада рассеивает значительную мощность, особенно при низком выходном напряжении и высоком токе, когда падение напряжения на нём максимально. Многоуровневое питание выходного каскада улучшает ситуацию, но влечёт увеличение числа силовых элементов схемы и конденсаторов фильтров выпрямителей.
Для снижения рассеиваемой мощности выходной каскад PSA2 питается автоматически регулируемым напряжением. Для этого выпрямитель совмещён с пререгулятором, в котором применено фазовое (угловое, вертикальное) управление. Выходное напряжение пререгулятора поддерживается таким, чтобы обеспечивать минимально необходимое падение напряжения на линейном звене регулятора. Значение фазы угла открывания ключа пререгулятора рассчитывается микроконтроллером.
Применённый подход хорошо масштабируется и позволяет собрать лабораторный БП с различными максимальными значениями выходного напряжения и тока. Однако целесообразность построения лабораторного БП с линейным регулятором на большие (более 2-3А) токи вызывает сомнения: как правило, нагрузка, требующая низкого уровня помех питающего напряжения, потребляет небольшой ток, а для мощных нагрузок целесообразнее иметь отдельный импульсный БП. Исходя из этого предположения конструкция PSA2 ориентирована на максимальный ток 2..3А (возможно до 4..5А, но не рекомендуется) и напряжение до 30..50В без существенных изменений.
Трансформатор является самой дорогой деталью в конструкции, к тому же не у всех, кто будет повторять PSA2 имеется возможность, материалы и соответствующие навыки для перемотки трансформатора, поэтому требования к нему максимально упрощены. Возможно применение подходящих трансформаторов от различной старой бытовой техники. Используемый трансформатор имеет всего две независимые обмотки: обмотку питания схемы управления (рекомендуемое напряжение 12..15В при токе нагрузки до 0,4А, хорошо подходит последовательное соединение двух накальных обмоток 6,3В), и силовую, параметры которой должны обеспечивать выбранные значения максимального выходного напряжения и тока. Например, для источника с максимальным выходным напряжением 30В нужна силовая обмотка, которая при максимальном токе нагрузки позволит получить около 40В после выпрямителя (соответственно порядка 30В переменного напряжения при максимальном токе нагрузки). Возможно использование двух отдельных трансформаторов для питания силовой части и схемы управления. Вся схема управления питается стабилизированным напряжением 12В, которое должно быть гальванически отвязано от силовой обмотки. Другие питающие напряжения схемы управления получаются из этих 12В.
Цепи измерения реального значения выходного напряжения и тока отделены от цепей ООС линейного регулятора. Общим является только токовый шунт.
Для увеличения разрядности АЦП используется oversampling.
Разрешающая способность по напряжению 1мВ, по току 1мА.
Схема управления построена на базе микроконтроллера семейства STM32 в 64-выводном корпусе с шагом 0,5 мм.
Для охлаждения рекомендуется использовать бесколлекторный вентилятор на напряжение 12В, частота вращения которого регулируется микроконтроллером в зависимости от настроек режима работы и температуры радиатора.
В качестве датчика температуры может использоваться DS18B20 или DS18B20+PAR (планируется, но пока не реализована поддержка DS18S20, TMP35, KTY81).
Индикатор ЖКИ символьный 16х2, возможно использование индикатора без кириллицы (на данный момент язык меню - только английский, планируется добавление других языков).
Стабилизация тока и напряжения: возможность работы в классическом CV/CC режиме, или с отключением выхода при переходе в режим стабилизации тока или напряжения по выбору, с регулируемой задержкой. Функция аналогична триггерной защите с той разницей, что до момента отключения ток ограничивается.
Выход PSA2 защищен от подачи напряжения любой полярности амплитудой не более максимального выходного напряжения независимо от наличия питания и текущего состояния выхода (даже если сам БП выключен). В отключенном состоянии токи утечки определяются в основном сопротивлением цепи ООС линейного регулятора и входным сопротивлением канала измерения напряжения (в текущей версии составляет более 40 кОм).
Большинство лабораторных БП, доступных радиолюбителям, не имеют специальной кнопки отключения нагрузки. Обычно отключение производится сетевым выключателем БП. В PSA2 для подачи напряжения на нагрузку предусмотрена отдельная кнопка отключения выхода.
Регулируемая скорость нарастания выходного напряжения в момент включения.
Имитация пульсаций напряжения частотой 50 или 100 Гц с регулируемой амплитудой (планируется).
Фиксированные настройки (пресеты), задаваемые пользователем (планируется).
Измерение мощности, потребляемой нагрузкой (планируется).
Измерение количества энергии (Вт*ч), ёмкости (А*ч), переданной в нагрузку. Отключение при достижении заданной величины (планируется).
Предустановленные профили для заряда некоторых популярных видов аккумуляторов (планируется).
Наличие интерфейса Bluetooth не обязательно, БП полностью сохраняет все свои функции при неустановленном модуле Bluetooth, поэтому если в нём нет необходимости модуль может не устанавливаться.
Схема собрана на двух печатных платах (внешний вид двух комплектов плат с разных сторон):

Плата управления PSA201C (вид спереди, вид спереди без индикатора, вид сзади) имеет габаритные размеры 110 х 80 мм. На ней находится схема управления, стабилизаторы 5В и 3,3В, измерительные усилители, токовый шунт, усилитель ошибки, элементы гальванической развязки интерфейса 232, опциональный модуль Bluetooth, схема защиты выхода, органы управления (кнопки, энкодер), ЖКИ, светодиод индикации включения выхода, boozer. К плате управления подключены выходные клеммы. Крепление платы осуществляется к лицевой панели с помощью стоек.
Плата выпрямителей и выходного каскада PSA201P (вид сверху, вид снизу) имеет габаритные размеры 100 х 36 мм и крепится к радиатору, установленному на задней стенке PSA2 с помощью выводов установленных силовых компонентов. Благодаря малым размерам и массе платы дополнительное механическое крепление как правило не требуется. На этой же плате размещен стабилизатор напряжения 12В для питания схемы управления и узел управления вентилятором. Плата PSA201P может быть выполнена односторонней, в этом случае потребуется установить 4 перемычки.

Соединение между платами (макет) выполнено 16-проводным шлейфом с разъёмами IDC на концах и 2-проводным кабелем с сечением не менее 0,75 мм²
Отдельно на шасси установлен силовой трансформатор, дополнительные конденсаторы фильтра, опциональный сетевой фильтр. Сетевой выключатель крепится прямо к лицевой панели, соединение с трансформатором рекомендуется делать разъёмным с использованием разъёмов типа MF-2M и MF-2F

Рекомендации по сборке

В виду высоких требований к монтажу лабораторный блок питания PSA2 не рекомендуется для повторения начинающими радиолюбителями.
Не рекомендуется самостоятельное изменение разводки печатных плат, т.к. это может привести к ухудшению точности и возможно даже возникновение автогенерации.
При наличии различий в номиналах компонентов между перечнем элементов и схемой электрической принципиальной приоритет за перечнем.
При наличии различий обозначений посадочных мест компонентов между шелкографией на печатной плате и сборочным чертежом приоритет за сборочным чертежом.
Рекомендуется вначале установить все SMD компоненты, затем все выводные компоненты кроме кнопок, энкодера, индикатора и клеммников. После этого платы помыть. Затем установить оставшиеся компоненты.
Все силовые транзисторы должны быть изолированы от радиатора. При установке транзисторов через изолирующие прокладки всегда проверяйте перед первым включением сопротивление изоляции каждого элемента.
При использовании 2-проводного подключения к питающей сети радиатор рекомендуется оставить никуда не подключенным. При использовании 3-проводного подключения провод PE подключить непосредственно к радиатору. То же самое относится и к металлическому шасси трансформатора (при наличии).
Конденсатор C1 устанавливается прямо на выводы трансформатора T1 (если выводы жесткие), либо другим доступным способом, и тщательно изолируется. Сам конденсатор обязательно должен быть класса X2 или X1 (специально предназначены для работы в сети 220В), в крайнем случае можно использовать плёночный конденсатор типа К73-17в или аналогичный на напряжение не менее 630В
В случае использования трансформатора на тороидальном сердечнике рекомендуется установку трансформатора производить на металлическую или стеклотекстолитовую основу, которую затем крепитьк корпусу.
Не рекомендуется исключать из конструкции предохранители F1 F2. Держатель предохранителя F1 может быть установлен на задней стенке рядом с вводом сетевого провода, на дополнительной плате сетевого фильтра, или непосредственно на провод внутри корпуса прибора. В качестве держателя предохранителя F2 рекомендуется автомобильный держатель с предохранителем Blade Type или mini Blade, устанавливаемый непосредственно на провод.
Все соединения первичных цепей должны быть тщательно заизолированы.
Дополнительный конденсатор фильтра C2 может быть набран из нескольких конденсаторов меньшей ёмкости. Конденсаторы устанавливаются внутри корпуса и надёжно закрепляются любым способом, например металлическим хомутом. Возможно использование небольшой платы или части макетной платы. Подключение к плате PSA201P осуществляется двумя проводами сечением не менее 0,75 мм ²
Емкость конденсатора С2 рекомендуется выбирать из рассчёта примерно 5000 мкФ на 1А максимального выходного тока. Максимальное рабочее напряжение конденсаторов должно быть не менее 1,6×U_IIx.x. Например, при напряжении холостого хода вторичной обмотки 30В конденсатор С2 должен быть на напряжение не менее 50В
Подключение к ПК может осуществляться через порт RS232 либо через переходник USB-UART. При подключении через порт RS232 (любой, в т.ч. и в виде USB-232 переходника) на плате PSA201C необходимо удалить элементы R415 R413. При подключении через переходник USB-UART (т.е. при использовании сигналов ТТЛ уровня) можно удалить (но не обязательно) элементы VD411 R416 R414.
Рекомендуемый порядок сборки передней панели.
Конструкция ориентирована на использование карпуса Z-2A польской фирмы kradex, другие корпуса потребуют изменения дизайна передней панели.

Возможные замены компонентов

Схема управления построена на базе микроконтроллера семейства STM32. В настоящее время проверена работа STM32F100R8T, STM32F100RBT, STM32F103RCT, STM32F103RDT, STM32F103RET. Микроконтроллеры подсемейств F101 и F102 поддерживаться не будут. Также не будут работать STM32F100R4T, STM32F100R6T, STM32F103R6T, STM32F103R8T, STM32F103RBT.
Усилитель ошибки построен на ОУ типа AD823AR. Возможно применение других ОУ в корпусе SO-8 с таким же расположением выводов, питанием 12В и допускающими работу вблизи 0В на входах, имеющих входные токи не более единиц нА и скорость нарастания выходного напряжения не менее 1В/мксек, напряжение смещения не более 10мВ и дрейф напряжения смещения не более 5мкВ/°С
Измерительный усилитель построен на ОУ типа AD8572AR. Возможно применение других ОУ в корпусе SO-8 с таким же расположением выводов, питанием 3В, допускающими работу вблизи 0В на входах, Rail-toRail по выходу, имеющих входные токи не более единиц нА, скорость нарастания выходного напряжения значения не имеет. Напряжение смещения не более 10мВ и дрейф напряжения смещения не более 5мкВ/°С, желательно с небольшим (не более 1..2мА) током потребления. Несмотря на относительно большое напряжение смещения (единицы мВ) благодаря низкому дрейфу смещения (4мкВ/°С) здесь хорошо работает AD8542AR

Порядок работы

Правильно собранный из исправных деталей БП в настройке не нуждается. Нужно только выполнить начальную калибровку по напряжению (потребуется вольтметр) и по току (потребуется амперметр). От качества проведенной калибровки зависит точность устанавливаемых напряжения и тока на выходе БП. При необходимости в процессе эксплуатации калибровку можно повторять неограниченное число раз. Калибровка по напряжению не зависит от калибровки по току и наоборот и могут выполняться раздельно.
При первом включении (или при отсутствии калибровок) прибор подаст тройной звуковой сигнал и предложит выполнить калибровку.
Если при первом включении недостаточна контрастность (либо на индикаторе вообще ничего не видно) можно повторить включение с зажатой кнопкой F1, после чего попытаться установить энкодером желаемую контрастность. Вращение энкодера должно сопровождаться короткими звуковыми сигналами. Если звуковые сигналы есть, а вращение энкодера не приводит к получению приемлемой контрастности, нужно измерить напряжение между конт.2 и 3 индикатора, оно должно составлять 4..5В

По всем вопросам, связанным с БП PSA2, можно писать по адресу:

Запрещается любое коммерческое использование проекта, его составных частей, использованных оригинальных схемотехнических, алгоритмических, конструкционных, дизайнерских решений, программного обеспечения, без письменного согласия автора.

Обязательно прочитайте Предостережения и Лицензионное Соглашение.