แหล่งจ่ายไฟลิเนียร์ควบคุมด้วยระบบดิจิตอล: 6 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

ในช่วงวัยรุ่นของผม ประมาณ 40 ปีที่แล้ว ผมได้สร้างแหล่งจ่ายไฟแบบลิเนียร์คู่ ฉันได้แผนผังจากนิตยสารชื่อ 'Elektuur' ซึ่งปัจจุบันเรียกว่า 'Elektor' ในเนเธอร์แลนด์ แหล่งจ่ายไฟนี้ใช้โพเทนชิออมิเตอร์หนึ่งตัวสำหรับการปรับแรงดันไฟฟ้าและอีกตัวหนึ่งสำหรับการปรับกระแสไฟ หลังจากผ่านไปหลายปี โพเทนชิโอมิเตอร์เหล่านี้ทำงานไม่ถูกต้องอีกต่อไป ซึ่งทำให้ยากต่อการจ่ายแรงดันเอาต์พุตที่เสถียร แหล่งจ่ายไฟนี้แสดงในรูปภาพ

ในระหว่างนี้ ฉันเลือกการพัฒนาซอฟต์แวร์แบบฝังตัวซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของงานอดิเรก โดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC และภาษาโปรแกรม JAL เนื่องจากฉันยังต้องการใช้แหล่งจ่ายไฟ – ใช่ คุณสามารถซื้อตัวแปรโหมดสวิตช์ที่ถูกกว่าในปัจจุบันได้ – ฉันมีความคิดที่จะแทนที่โพเทนชิโอมิเตอร์แบบเก่าด้วยเวอร์ชันดิจิทัล ดังนั้นจึงมีโปรเจ็กต์ PIC ใหม่เกิดขึ้น

สำหรับการปรับแรงดันไฟฟ้าของพาวเวอร์ซัพพลาย ผมใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC 16F1823 ที่ใช้ปุ่มกด 6 ปุ่ม ดังนี้

• กดปุ่มเดียวสำหรับเปิดหรือปิดแรงดันเอาต์พุตโดยไม่จำเป็นต้องเปิดหรือปิดแหล่งจ่ายไฟทั้งหมด
• กดปุ่มเดียวเพื่อเพิ่มแรงดันไฟขาออกและอีกปุ่มหนึ่งกดปุ่มเพื่อลดแรงดันไฟขาออก
• ปุ่มกดสามปุ่มเพื่อใช้เป็นค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้า หลังจากตั้งค่าแรงดันไฟเอาท์พุตแล้ว สามารถจัดเก็บและเรียกแรงดันไฟฟ้าที่แน่นอนนั้นได้โดยใช้ปุ่มกดที่ตั้งไว้ล่วงหน้าเหล่านี้

แหล่งจ่ายไฟสามารถส่งออกแรงดันไฟฟ้าระหว่าง 2.4 โวลต์ถึง 18 โวลต์ที่มีกระแสสูงสุด 2 แอมแปร์

ขั้นตอนที่ 1: การออกแบบเบื้องต้น (แก้ไข 0)

ฉันได้แก้ไขแผนผังดั้งเดิมบางส่วนเพื่อให้เหมาะสำหรับการควบคุมด้วยโพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิตอล เนื่องจากฉันไม่เคยใช้โพเทนชิออมิเตอร์ดั้งเดิมสำหรับการปรับค่ากระแสไฟในอดีต ฉันจึงถอดมันออกและแทนที่ด้วยตัวต้านทานแบบตายตัว โดยจำกัดกระแสสูงสุดไว้ที่ 2 แอมแปร์

แผนผังแสดงแหล่งจ่ายไฟซึ่งสร้างขึ้นจากตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า LM723 ที่เก่าแต่เชื่อถือได้ ฉันยังสร้างแผงวงจรพิมพ์สำหรับมัน LM723 มีแรงดันอ้างอิงที่ชดเชยอุณหภูมิด้วยคุณสมบัติจำกัดกระแสและช่วงแรงดันไฟฟ้ากว้าง แรงดันอ้างอิงของ LM723 ไปที่โพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิตอลซึ่งที่ปัดน้ำฝนเชื่อมต่อกับอินพุตที่ไม่กลับด้านของ LM723 โพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิตอลมีค่า 10 kOhm และสามารถเปลี่ยนจาก 0 โอห์มเป็น 10 kOhm ใน 100 ขั้นตอนโดยใช้อินเทอร์เฟซแบบอนุกรม 3 สาย

พาวเวอร์ซัพพลายนี้มีมิเตอร์โวลต์และแอมแปร์แบบดิจิตอลซึ่งรับพลังงานจากตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า 15 โวลต์ (IC1) 15 โวลต์นี้ยังใช้เป็นอินพุตสำหรับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า 5 โวลต์ (IC5) ที่จ่ายไฟให้กับ PIC และโพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิตอล

ทรานซิสเตอร์ T1 ใช้เพื่อปิด LM723 ซึ่งนำแรงดันเอาต์พุตไปที่ 0 โวลต์ ตัวต้านทานกำลัง R9 ใช้สำหรับวัดกระแส ทำให้แรงดันตกเหนือตัวต้านทานเมื่อกระแสไหลผ่าน LM723 แรงดันไฟฟ้าตกนี้ใช้เพื่อจำกัดกระแสเอาต์พุตสูงสุดที่ 2 แอมแปร์

ในการออกแบบเบื้องต้นนี้ ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าและทรานซิสเตอร์กำลัง (ประเภท 2N3055) ไม่ได้อยู่บนบอร์ด ในการออกแบบดั้งเดิมของฉันเมื่อหลายปีก่อน Electrolytic Capacitor อยู่บนบอร์ดแยกต่างหาก ดังนั้นฉันจึงเก็บมันไว้ ทรานซิสเตอร์กำลังติดตั้งอยู่บนแผ่นระบายความร้อนด้านนอกตู้เพื่อการระบายความร้อนที่ดีขึ้น

ปุ่มกดอยู่ที่แผงด้านหน้าของตู้ ปุ่มกดแต่ละปุ่มถูกดึงขึ้นสูงโดยตัวต้านทาน 4k7 บนบอร์ด ปุ่มกดเชื่อมต่อกับกราวด์ซึ่งทำให้ใช้งานได้ต่ำ

คุณต้องมีส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ต่อไปนี้สำหรับโครงการนี้ (ดูการแก้ไข 2):

• 1 ไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC 16F1823
• 1 โพเทนชิโอมิเตอร์ดิจิตอล 10k ชนิด X9C103
• ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์: B80C3300/5000
• ทรานซิสเตอร์: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• ไดโอด: 2 * 1N4004
• ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า: 1*4700 uF/40V, 1*4.7 uF/16V
• ตัวเก็บประจุเซรามิก: 1 * 1 nF, 6 * 100 nF
• ตัวต้านทาน: 1*100 โอห์ม, 1*820 โอห์ม, 1*1k, 2*2k2, 8*4k7
• ตัวต้านทานกำลัง: 0.33 โอห์ม / 5 วัตต์

ฉันยังออกแบบแผงวงจรพิมพ์ซึ่งแสดงในภาพหน้าจอและรูปภาพที่แนบมาด้วย

ขั้นตอนที่ 2: การออกแบบแก้ไข (แก้ไข 2)

หลังจากสั่งซื้อแผงวงจรพิมพ์แล้ว ฉันก็เกิดไอเดียที่จะเพิ่มคุณสมบัติที่เรียกว่า 'การป้องกันแรงดันไฟฟ้า' เนื่องจากฉันยังมีหน่วยความจำโปรแกรมจำนวนมากใน PIC ฉันจึงตัดสินใจใช้ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ในตัวของ PIC เพื่อวัดแรงดันเอาต์พุต ในกรณีที่แรงดันไฟขาออกนี้ ไม่ว่าจะขึ้นหรือลง ไม่ว่าด้วยเหตุผลใดก็ตาม แหล่งจ่ายไฟจะถูกปิด สิ่งนี้จะป้องกันวงจรที่เชื่อมต่อจากแรงดันไฟเกินหรือจะหยุดไฟฟ้าลัดวงจร นี่คือการแก้ไข 1 ซึ่งเป็นส่วนขยายของการแก้ไข 0 การออกแบบเริ่มต้น

แม้ว่าฉันจะทดสอบการออกแบบโดยใช้เขียงหั่นขนม (ดูรูป) ฉันก็ยังไม่พอใจกับมัน บางครั้งดูเหมือนว่าโพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิตอลไม่ได้อยู่ที่ตำแหน่งเดียวกันเสมอไป เช่น โพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิตอล เมื่อกู้คืนค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้า ความแตกต่างมีน้อยแต่น่าเป็นห่วง ไม่สามารถอ่านค่าโพเทนชิออมิเตอร์ได้ หลังจากคิดว่าฉันสร้างการแก้ไข 2 ซึ่งเป็นการออกแบบใหม่เล็กน้อยของการแก้ไข 1 ในการออกแบบนี้ ดูการแก้ไขแผนผังไดอะแกรม 2 ฉันไม่ได้ใช้โพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิทัล แต่ฉันใช้ Digital to Analog Converter (DAC) ในตัวของ PIC เพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุตผ่าน LM723 ปัญหาเดียวคือ PIC16F1823 มี DAC 5 บิตเท่านั้นซึ่งไม่เพียงพอเนื่องจากขั้นตอนขึ้นและลงจะใหญ่เกินไป ด้วยเหตุนี้ฉันจึงเปลี่ยนมาใช้ PIC16F1765 ซึ่งมี DAC 10 บิตอยู่บนบอร์ด เวอร์ชันที่มี DAC นี้มีความน่าเชื่อถือ ฉันยังสามารถใช้แผงวงจรพิมพ์เริ่มต้นได้เนื่องจากฉันต้องการเพียงถอดส่วนประกอบบางส่วน แทนที่ตัวเก็บประจุ 1 ตัว และเพิ่มสายไฟ 2 เส้น (จำเป็นต้องใช้ลวด 1 เส้นแล้วเพื่อเพิ่มคุณสมบัติการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าของการแก้ไข 1) ฉันยังเปลี่ยนตัวควบคุม 15 โวลต์เป็นรุ่น 18 โวลต์เพื่อจำกัดการกระจายพลังงาน ดูแผนผังของการแก้ไข 2

ดังนั้น หากคุณต้องการใช้การออกแบบนี้ คุณต้องทำสิ่งต่อไปนี้เทียบกับการแก้ไข 0:

• แทนที่ PIC16F1823 ด้วย PIC16F1765
• ทางเลือก: แทนที่ 78L15 ด้วย 78L18
• ถอดโพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิตอล X9C103
• ถอดตัวต้านทาน R1 และ R15
• เปลี่ยนตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า C5 ด้วยตัวเก็บประจุเซรามิก 100 nF
• ทำการเชื่อมต่อระหว่าง IC4 pin 13 (PIC) กับ IC2 pin 5 (LM723)
• ทำการเชื่อมต่อระหว่าง IC4 pin 3 (PIC) กับ IC2 pin 4 (LM723)

ฉันยังอัปเดตแผงวงจรพิมพ์ แต่ไม่ได้สั่งซื้อเวอร์ชันนี้ ดูภาพหน้าจอ

ขั้นตอนที่ 3: (Dis) Assembly

ในภาพคุณจะเห็นแหล่งจ่ายไฟก่อนและหลังการอัพเกรด ในการปิดรูที่เกิดจากโพเทนชิโอมิเตอร์ ฉันได้เพิ่มแผงด้านหน้าที่ด้านบนของแผงด้านหน้าของตู้ อย่างที่คุณเห็น ฉันได้สร้างแหล่งจ่ายไฟแบบคู่ โดยที่อุปกรณ์จ่ายไฟทั้งสองตัวแยกจากกันโดยสิ้นเชิง ทำให้สามารถจัดวางเป็นอนุกรมได้ในกรณีที่ฉันต้องการแรงดันไฟขาออกที่สูงกว่า 18 โวลต์

เนื่องจากแผงวงจรพิมพ์ทำให้ง่ายต่อการประกอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โปรดจำไว้ว่าตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าขนาดใหญ่และทรานซิสเตอร์กำลังไม่ได้อยู่บนแผงวงจรพิมพ์ ภาพถ่ายแสดงให้เห็นว่าสำหรับการแก้ไข 2 ส่วนประกอบบางอย่างไม่จำเป็นอีกต่อไป และจำเป็นต้องใช้สายไฟ 2 เส้นเพื่อเพิ่มคุณสมบัติการตรวจจับแรงดันไฟฟ้า และอีกเส้นหนึ่งเนื่องจากการเปลี่ยนโพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิตอลโดย Digital to Analog Converter ของไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC

แน่นอนว่าคุณต้องมีหม้อแปลงไฟฟ้าที่สามารถจ่ายไฟได้ 18 โวลต์กระแสสลับ 2 แอมแปร์ ในการออกแบบดั้งเดิมของฉัน ฉันใช้หม้อแปลงแกนวงแหวนเพราะมันมีประสิทธิภาพมากกว่า (แต่ก็แพงกว่าด้วย)

ขั้นตอนที่ 4: ซอฟต์แวร์สำหรับการแก้ไข 0

ซอฟต์แวร์ทำงานหลักดังต่อไปนี้:

• การควบคุมแรงดันไฟขาออกของแหล่งจ่ายไฟผ่านโพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิตอล

• จัดการกับคุณสมบัติของปุ่มกด ซึ่งได้แก่:

  • เปิด/ปิด. นี่คือฟังก์ชันสลับซึ่งตั้งค่าแรงดันเอาต์พุตเป็น 0 โวลต์หรือแรงดันไฟฟ้าที่เลือกล่าสุด
  • แรงดันไฟฟ้าขึ้น/แรงดันไฟฟ้าลง เมื่อกดปุ่มแต่ละครั้ง แรงดันไฟฟ้าจะขึ้นหรือลงเล็กน้อย เมื่อกดปุ่มเหล่านี้ค้างไว้ ฟังก์ชันทำซ้ำจะเปิดใช้งาน
  • จัดเก็บที่ตั้งไว้ล่วงหน้า / ดึงค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้า การตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าใดๆ สามารถเก็บไว้ใน EEPROM ของ PIC ได้โดยการกดปุ่มที่ตั้งค่าไว้ล่วงหน้าอย่างน้อย 2 วินาที การกดให้สั้นลงจะเป็นการดึงค่า EEPROM สำหรับพรีเซ็ตนั้นและตั้งค่าแรงดันเอาต์พุตตามนั้น

เมื่อเปิดเครื่อง พินทั้งหมดของ PIC จะถูกตั้งค่าเป็นอินพุต เพื่อป้องกันไม่ให้มีแรงดันไฟฟ้าที่ไม่ได้กำหนดอยู่ที่เอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟ เอาต์พุตจะอยู่ที่ 0 โวลต์จนกว่า PIC จะทำงานและโพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิตอลจะเริ่มต้น การลดกำลังไฟนี้ทำได้โดยตัวต้านทานแบบดึงขึ้น R14 ซึ่งทำให้แน่ใจได้ว่าทรานซิสเตอร์ T1 จะปิด LM723 จนกว่า PIC จะปล่อยออกมา

ส่วนที่เหลือของซอฟต์แวร์นั้นแคบไปข้างหน้า ปุ่มกดจะถูกสแกน และหากมีสิ่งใดจำเป็นต้องเปลี่ยนแปลง ค่าของโพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิตอลจะเปลี่ยนไปโดยใช้อินเทอร์เฟซแบบอนุกรมสามสาย โปรดทราบว่าโพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิตอลมีตัวเลือกในการจัดเก็บการตั้งค่าด้วย แต่จะไม่ได้ใช้งานเนื่องจากการตั้งค่าทั้งหมดจะถูกเก็บไว้ใน EEPROM ของ PIC อินเทอร์เฟซกับโพเทนชิออมิเตอร์ไม่มีคุณสมบัติในการอ่านค่าของที่ปัดน้ำฝน ดังนั้นเมื่อใดก็ตามที่จำเป็นต้องตั้งค่าที่ปัดน้ำฝนเป็นค่าใดค่าหนึ่ง สิ่งแรกที่ทำคือวางที่ปัดน้ำฝนกลับไปที่ตำแหน่งศูนย์ จากนั้นส่งจำนวนขั้นตอนเพื่อวางที่ปัดน้ำฝนให้อยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้อง

เพื่อป้องกันไม่ให้ EEPROM ถูกเขียนขึ้นทุกครั้งที่กดปุ่ม และทำให้อายุการใช้งานของ EEPROM ลดลง เนื้อหา EEPROM จะถูกเขียน 2 วินาทีหลังจากที่ปุ่มกดไม่ทำงานอีกต่อไป ซึ่งหมายความว่าหลังจากการเปลี่ยนแปลงล่าสุดของปุ่มกด ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้รออย่างน้อย 2 วินาทีก่อนที่จะเปิดเครื่องเพื่อให้แน่ใจว่ามีการจัดเก็บการตั้งค่าล่าสุดไว้ เมื่อเปิดเครื่อง แหล่งจ่ายไฟจะเริ่มต้นด้วยแรงดันไฟฟ้าที่เลือกล่าสุดซึ่งจัดเก็บไว้ใน EEPROM

ไฟล์ต้นฉบับ JAL และไฟล์ Intel Hex สำหรับการเขียนโปรแกรม PIC สำหรับการแก้ไข 0 ถูกแนบมาด้วย

ขั้นตอนที่ 5: ซอฟต์แวร์สำหรับการแก้ไข 2

สำหรับการแก้ไข 2 การเปลี่ยนแปลงหลักๆ ในซอฟต์แวร์มีดังนี้:

• เพิ่มคุณสมบัติการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าโดยการวัดแรงดันเอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟหลังจากตั้งค่าแล้ว สำหรับสิ่งนี้จะใช้ตัวแปลง ADC ของ PIC เมื่อใช้ ADC ซอฟต์แวร์จะเก็บตัวอย่างแรงดันไฟขาออก และหากหลังจากตัวอย่างสองสามตัวอย่าง แรงดันเอาต์พุตจะสูงกว่าหรือต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าที่ตั้งไว้ประมาณ 0.2 โวลต์ แหล่งจ่ายไฟจะถูกปิด
• การใช้ DAC ของ PIC เพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟแทนการใช้โพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิตอล การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้ซอฟต์แวร์ง่ายขึ้น เนื่องจากไม่จำเป็นต้องสร้างอินเทอร์เฟซแบบ 3 สายสำหรับโพเทนชิออมิเตอร์แบบดิจิทัล
• เปลี่ยนที่เก็บข้อมูลใน EEPROM ด้วยการจัดเก็บใน High Endurance Flash PIC16F1765 ไม่มี EEPROM อยู่บนบอร์ด แต่ใช้ส่วนหนึ่งของโปรแกรม Flash เพื่อจัดเก็บข้อมูลที่ไม่ลบเลือน

โปรดทราบว่าการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าไม่ได้เปิดใช้งานในตอนแรก เมื่อเปิดเครื่อง ปุ่มต่อไปนี้จะถูกตรวจสอบว่ามีการกดหรือไม่:

• ปุ่มเปิด/ปิดเครื่อง. หากกดทั้งสองคุณสมบัติการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าจะปิด
• ปุ่มกดลง. หากกดแล้ว การตรวจจับแรงดันต่ำจะทำงาน
• ปุ่มกดขึ้น. หากกดลงไป การตรวจจับไฟฟ้าแรงสูงจะทำงาน

การตั้งค่าการตรวจจับแรงดันไฟฟ้านี้จัดเก็บไว้ในแฟลชความทนทานสูงและจะเรียกคืนเมื่อเปิดสวิตช์แหล่งจ่ายไฟอีกครั้ง

ไฟล์ต้นฉบับ JAL และไฟล์ Intel Hex สำหรับการเขียนโปรแกรม PIC สำหรับการแก้ไข 2 ยังแนบมาด้วย

ขั้นตอนที่ 6: ผลลัพธ์สุดท้าย

ในวิดีโอ คุณจะเห็นการทำงานของการแก้ไขแหล่งจ่ายไฟ 2 ซึ่งจะแสดงคุณสมบัติการเปิด/ปิดเครื่อง การเพิ่มแรงดันไฟฟ้า/แรงดันไฟฟ้าลง และการใช้ค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้า สำหรับการสาธิตนี้ ฉันยังเชื่อมต่อตัวต้านทานกับแหล่งจ่ายไฟเพื่อแสดงว่ากระแสจริงไหลผ่าน และกระแสสูงสุดจำกัดที่ 2 แอมแปร์

หากคุณสนใจที่จะใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC กับ JAL ซึ่งเป็นภาษาปาสกาลที่เหมือนกับภาษาการเขียนโปรแกรม ให้ไปที่เว็บไซต์ JAL

ขอให้สนุกกับการสร้างคำแนะนำนี้และรอคอยปฏิกิริยาและผลลัพธ์จากคุณ