Σχεδιάζοντας ένα ψηφιακά ελεγχόμενο τροφοδοτικό πάγκου

[manolena]

1. Εισαγωγή

Η παρούσα απόπειρα σχεδίασης είναι μια λιτή προσέγγιση για κατασκευή ενός ψηφιακά ελεγχόμενου τροφοδοτικού πάγκου
αλλά με πρόσθετες λειτουργίες. Η κρίση σας και οι προτάσεις σας είναι πραγματικά ευπρόσδεκτες:

α. Ψηφιακή ένδειξη της τάσης και του ρεύματος εξόδου σε ένα LCD 2x16 χαρακτήρων
β. Ψηφιακή ρύθμιση της απαιτούμενης τάσης και ρεύματος εξόδου
γ. Χρήση "εύκολων" εξαρτημάτων και μικροελεγκτή
δ. Χρήση μόνον της τάσης τροφοδοσίας χωρίς συμμετρικές τάσεις για τελεστικούς
ε. Προεραιτική (μετά απο συζήτηση) διάταξης επικοινωνίας με PC για αυτοματοποιημένη παραγωγή τάσεων εξόδου
στ. Ρυθμίσεις εισάγονται με τη βοήθεια πληκτρολογίου για ακριβείς τοποθετήσεις στις απαιτούμενες τάσεις και ρεύματα
ζ. DAC (ψηφιακός σε αναλογικό μετατροπέας 16bits με τη βοήθεια 2x8 I/Os Ι²C expanders)
η. Μικρή αλλά στιβαρή κατασκευή

2. Η βασική ιδέα

Η απλούστερη παραγωγή σταθεροποιημένης τάσης απεικονίζεται με το παρακάτω κύκλωμα που βασίζεται σε
μια τάση αναφοράς (zenner δίοδος) που πολώνει τη βάση ενός transistor:

Basics 1.jpg

Η τάση εξόδου του παραπάνω κυκλώματος είναι Uref-0,7V (0,7V είναι η πτώση τάσης πάνω στην επαφή Ν μεταξύ
εκπομπού και βάσης του transistor). Έτσι λοιπόν, η τελική τάση εξόδου είναι 4V. Εδώ, υπάρχει ένα βασικό πρόβλημα
όμως που δεν εξυπηρετεί την κατασκευή σαν τροφοδοτικό ισχύος... Το δικτύωμα αντίστασης-διόδου
δεν μπορεί να διαχειριστεί μεγάλα ρεύματα, για αυτό και η τοποθέτηση του transistor βελτιώνει την κατάσταση.

Επίσης, το κύκλωμα αυτό έχει και 2 άλλα πολύ βασικά μειονεκτήματα: Σε βραχυκύκλωμα, το transistor θα καταστραφεί και η
τάση εξόδου είναι φιξαρισμένη στην τάση zenner. Το πρόβλημα λύνεται όμως με ρύθμιση της τάσης αναφοράς
και ρύθμιση του ρεύματος εξόδου. Αργότερα, θα δούμε το πως γίνεται αυτό.

Αν χρησιμοποιήσουμε ένα μικροελεγκτή, μπορούμε να κάνουμε πάρα πολλά πράγματα για να αντιμετωπίσουμε τα
παραπάνω. Η τάση εξόδου καθώς και το ρεύμα, μπορούν μέσω του ADC να παρακολουθούνται συνεχώς (feedback),
αλλά και με έναν κατάλληλο DAC (ADC = analog to digital converter, DAC = digital to analog converter) μπορούμε
να παράξουμε μια τάση πόλωσης του transistor σε μεγάλη ανάλυση και άρα εξαιρετική μικρορύθμιση της απαιτούμενης
τάσης εξόδου.

Η ιδέα μου σε αυτό το δεύτερο κομμάτι, υλοποιείται εξαιρετικά απλά με τη λεγόμενη διάταξη R-2R ladder:

R2R.jpg

Το παραπάνω κύκλωμα αποτελεί έναν 4bits DAC. H λογική (ON-OFF) των διακοπτών, ελέγχεται απο τις ψηφιακές εξόδους
του μικροελεγκτή και αυτός είτε συνδέει τους κόμβους του δικτυώματος στη γή, είτε στη θετική τροφοδοσία. Έτσι, παράγεται
μια τελική τάση εξόδου που εκφράζεται σε VCC/16 επί τις φορές που επαναλαμβάνεται το κύκλωμα (Ζ). Δηλαδή εδώ,
φαίνεται ένας μετατροπέας 16 ψηφίων που μπορεί να προσφέρει 16*(VCC/16+1) τάση εξόδου.


​ΣΥΝΕΧΙΖΕΤΑΙ...

[picdev]

γιατί να μην χρησημοποιήσεις τον DAC ή το PWM που έχουν οι μΕ για να παράγεις αυτή τη τάση?

[spiroscfu]

Μάνο το κυκλωματάκι σταθεροποιήσεις που έβαλες έχει και άλλο ένα σοβαρό μείον,
αυτό είναι πως και τρανζίστορ να βάλεις για το ρεύμα της βάσης, θα χρειαστεί και ανάδραση από την έξοδο (που αυτό επιτυγχάνεται με τον adc όπως προανέφερες) και αυτό γιατί η σταθεροποιησει με npn σε συνεμολογία κοινού συλέκτη δεν είναι και τόσο σταθερή (λόγο της μεταβολής της Vbe από τις μεταβολές του διερχόμενου ρεύματος των διαφορετικών φορτίων).

Επίσης (όπως είπε και ο άκης) γιατί να βάλεις R2R ή εξωτερικό dac
και δεν χρησιμοποιείς την pwm module σε 10bit ανάλυση, νομίζω είναι αρκετή πχ. με 30V είσοδο θα σου δώσει 1024 βήματα των 30/1024=30mV.


Υγ.
Παρεπιπτόντος ωραίο θέμα.

[billtech]

πολυ καλη ιδεα για τροφοδοτικο. εχει καιρο που με τρωει να κανω και εγω ενα τετοιο. Να ελεγχω ενα MAX724 με εναν επεξεργαστη και να το κανω μεταβλητο. Αλλα ακομα δεν βρηκα ωρα να κατσω να το σχεδιασω.
Μπραβο Μανο. Συνεχισε να δουμε το αποτελεσμα!!!

[spiroscfu]

Όντως δεν θα ήταν ποιο σοφιστικέ ένα switching παρά κάποιο γραμμικό.


επισυνάπτω ένα ενδιαφέρων pdf

[manolena]

γιατί να μην χρησημοποιήσεις τον DAC ή το PWM που έχουν οι μΕ για να παράγεις αυτή τη τάση?

Ένας-ένας τις απαντήσεις καλοί μου συμφορουμίτες...

Η πρώϊμη ιδέα ήταν να χρησιμοποιήσω όντως τον PWM του μ/ε, μιας και όλοι τους τον έχουν σαν βασικό εξοπλισμό. Θεώρησα όμως
-αφού σκέφτηκα να το παρουσιάσω- πως θα ήταν καλό να δείξω με απλό έως πρωτόγονο τρόπο και τις βασικές λειτουργίες όρων
όπως DAC, ADC αλλά με κατασκευή διακριτή, με εμφανή υλικά και τρόπο ώστε να γίνονται απλούστερα και κατανοητά.

[manolena]

Μάνο το κυκλωματάκι σταθεροποιήσεις που έβαλες έχει και άλλο ένα σοβαρό μείον,
αυτό είναι πως και τρανζίστορ να βάλεις για το ρεύμα της βάσης, θα χρειαστεί και ανάδραση από την έξοδο (που αυτό επιτυγχάνεται με τον adc όπως προανέφερες) και αυτό γιατί η σταθεροποιησει με npn σε συνεμολογία κοινού συλέκτη δεν είναι και τόσο σταθερή (λόγο της μεταβολής της Vbe από τις μεταβολές του διερχόμενου ρεύματος των διαφορετικών φορτίων).

Επίσης (όπως είπε και ο άκης) γιατί να βάλεις R2R ή εξωτερικό dac
και δεν χρησιμοποιείς την pwm module σε 10bit ανάλυση, νομίζω είναι αρκετή πχ. με 30V είσοδο θα σου δώσει 1024 βήματα των 30/1024=30mV.


Υγ.
Παρεπιπτόντος ωραίο θέμα.

Ακριβώς όπως τα λες Σπύρο... Στη συνέχεια του θέματος, θα δείξω τον τρόπο που το κύκλωμα αντιλαμβάνεται τις διαφορές στην τάση της εξόδου και με μια "ανατροφοδότηση" (feedback) της στον μ/ε, κάνει αυτόματη διόρθωση, άσχετα απο το φορτίο στην έξοδο.

Όσο για τα βήματα και την ανάλυση του ladder ή γιατί δεν θα χρησιμοποιήσω PWM, ήθελα να την κάνω ακόμα πιο
ακριβή σε μέγεθος των 16bit, αλλά χωρίς έτοιμους DAC. Σε συνδυασμό και με το αριθμητικό πληκτρολόγιο που σκέφτομαι
να του βάλω, για μια ακρίβεια 3 δεκαδικών αλλά παραγματικά δεκαδικών και όχι μετρημένων σε μια float μεταβλητή, νομίζω
οτι τούτο είναι ό,τι πρέπει. Αυτό θα γινόταν μόνο με το ladder και διακριτά εξαρτήματα. Έτσι λοιπόν, 16 ψηφία ανάλυσης
δίνουν 65536 βήματα (!), ήτοι 30/65530=0,0004. Είναι σίγουρο πως δεν θα καταφέρω τέτοια ακρίβεια λόγω ανοχών,
αλλά είναι και κάτι που θέλω να κάνω εδώ και καιρό, για να δώ και τι μπορώ εγώ μόνος μου να κάνω.

[manolena]

Όντως δεν θα ήταν ποιο σοφιστικέ ένα switching παρά κάποιο γραμμικό.


επισυνάπτω ένα ενδιαφέρων pdf

Όταν θα μεγαλώσω, θα το κάνω με switching! Χαχαχααααα!!!

[manolena]

Συνεχίζω λοιπόν...

Στα παραπάνω, παραθέτω μια λίγο πιο λεπτομερή ανάλυση σχεδίασης σε μορφή block για τη συνολική ιδέα:

Block.jpg

Εδώ, πρέπει να προστεθεί ένας ενισχυτής ρεύματος και τάσης, μιας και ο DAC δεν μπορεί να παρέχει το απαιτούμενο ρεύμα οδήγησης
του σταδίου εξόδου (transistor ισχύος), ενώ η τάση οδήγησής του είναι λίγο μικρότερη απο την τάση VCC 5V του μ/ε.
Ο ενισχυτής θα μπορούσε να ήταν ένας operational amplifier (τι πιο απλό...), αλλά θα πρέπει εδώ να σκεφτούμε πως κατά πλειονότητα,
θα χρειαζόταν και μια συμμετρική τάση τροφοδοσίας του, καθώς και κάποια επιπλέον κυκλώματα σταθεροποίησης για να μην ταλαντώνει
σε ένα εύρος τάσης που θα ξεκινούσε απο 0 volts.

Για τους λόγους αυτούς, διακριτά εξαρτήματα όπως μερικά απλά transistors, θα χτίσουν έναν εξίσου απλό ενισχυτή τάσης, σε συνδυασμό με
επίσης απλά transistor ισχύος για την έξοδο. Πρέπει να είναι τέτοια ώστε να απορροφούν σχετικά χαμηλό ρεύμα βάσης για την οδήγησή τους.

V amp.jpg

Παρέλειψα να αναφέρω, πως αφορμή για όλο αυτό, είναι μια κατασκευή ανάλογης σχεδίασης η οποία ευρίσκεται εδώ:
http://tuxgraphics.org/electronics/2...upply-v3.shtml
Δεν ήθελα να αντιγράψω το σχεδιασμό σε όλα του τα επι μέρους τμήματα, αλλά να κάνω και κάποιες δικές μου προσεγγίσεις
σε άλλες λύσεις.

Εφ' όσον ο DAC έχει μέγιστη τάση λειτουργίας τα VCC (5V) όπως προαναφέρθηκε, θα πρέπει για να λάβουμε τάση εξόδου στα
30V να την πολλαπλασιάσουμε επι έναν λόγο 6. Αυτό γίνεται με το συνδυασμό 2 απλών PNP και NPN transistors, απο τα οποία
με βάση την εξομοίωση στο LTSpice, προκύπτει οτι:

Sim1.jpg

απο τάση εξόδου DAC στο σημείο Α= 4,999V, επιτυγχάνεται μια ενίσχυση στο σημείο Γ ίση με 34,356/4,999 που είναι περίπου
6,8 φορές η τάση εισόδου του ενισχυτή. Η διαφορά που παρατηρούμε με τα προηγούμενα αναγραφόμενα οφείλεται στο οτι
η είσοδος της παρεχόμενης προς επεξεργασία τάσης είναι 35V αντί για 30V που είχαμε στους πρώτους υπολογισμούς.

Τώρα, σε ό,τι αφορά τον DAC... Για να έχουμε 16 ψηφία ανάλυσης με διακριτά εξαρτήματα, πρέπει εκτός των δικτυωμάτων
αντιστάσεων της μορφής R2R που είδαμε πιο πάνω, χρειαζόμαστε και τη λογική του μ/ε για τη μεταγωγή των "λογικών"
διακοπτών προς την VCC 5V και την γή. Επειδή ο μ/ε δεν διαθέτει άπλετες ψηφιακές εξόδους, σκέφτηκα να τις
πολλαπλασιάσω μέσω του διαύλου I²C και 2 8bit Ι/Ο expanders, τους PCF8574. Έτσι, με 2 μόνο γραμμές,
τις data και clock και με λίγο κώδικα, θα μπορέσω να "ανοιγοκλείνω" τα δικτυώματα των αντιστάσεων, παράγοντας έτσι
65536 (!) διαφορετικές τάσεις απο 0-5V.

R2R.jpg

Έτσι, περισσεύουν αρκετές I/O του μ/ε για τη διαχείρηση μιας LCD οθόνης, ενός πληκτρολογίου 4x4 matrix και ενός
buzzer για τα "ηχητικά" της κατασκευής. Αντί για το πληκτρολόγιο, μπορεί άνετα να προστεθεί ένας rotary encoder
με ενσωματωμένο διακόπτη για τις ρυθμίσεις τάσης και ρεύματος.

[hurt30]

Φίλε Manolena, καλή η ιδέα αλλά πρακτικά για ηλεκτονικές διατάξεις η αντίδραση στο current limit είναι πρακτικά άχρηστη και επίσης σαν regulator είναι λίγο πως να το πω... χειρότερο από κακό...

Μηπως πρέπει να δεις μια εντελώς διαφορετική προσέγγιση; Δες για παράδειγμα κάτι τέτοιο:
mypsu.jpg

Υ.Γ. Το παραπάνω παράδειγμα είναι "proof of concept" και όχι ολοκληρωμένη πρόταση για κατασκευή.