Superb Lab-voeding - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Naar mijn mening is een van de beste manieren om met elektronica aan de slag te gaan, het bouwen van je eigen laboratoriumvoeding. In deze instructable heb ik geprobeerd alle noodzakelijke stappen te verzamelen, zodat iedereen zijn of haar eigen stappen kan bouwen.

Alle onderdelen van de assemblage zijn direct te bestellen in digikey, ebay, amazon of aliexpress, behalve het metercircuit. Ik heb een aangepast metercircuitschild voor Arduino gemaakt dat tot 36V - 4A kan meten, met een resolutie van 10mV - 1mA die ook voor andere projecten kan worden gebruikt.

De voeding heeft de volgende kenmerken:

• Nominale spanning: 24V.
• Nominale stroom: 3A.
• Uitgangsspanningsrimpel: 0,01% (volgens de specificaties van de voedingscircuitkit).
• Resolutie spanningsmeting: 10mV.
• Huidige meetresolutie: 1mA.
• CV- en CC-modi.
• Over huidige bescherming.
• Overspanningsbeveiliging.

Stap 1: Onderdelen en bedradingsschema

Afgezien van de afbeelding heb ik het bestand WiringAndParts.pdf aan deze stap toegevoegd. Het document beschrijft alle functionele onderdelen, inclusief de bestellink, van de bankvoeding en hoe deze aan te sluiten.

De netspanning komt binnen via een IEC-paneelconnector (10) die een ingebouwde smeltveilige houder heeft, er is een aan / uit-schakelaar in het voorpaneel (11) die het circuit gevormd van de IEC-connector naar de transformator (9) verbreekt.

De transformator (9) geeft 21VAC af. De 21 VAC gaan rechtstreeks naar het voedingscircuit (8). De uitgang van het voedingscircuit (8) gaat rechtstreeks naar de IN-klem van het metercircuit (5).

De OUT-aansluiting van het metercircuit (5) is rechtstreeks verbonden met de positieve en negatieve aansluitpunten (4) van de voeding. Het metercircuit meet zowel spanning als stroom (hoge kant), en kan de verbinding tussen in en uit in- of uitschakelen.

Kabels, gebruik in het algemeen schrootkabels die u in huis heeft. U kunt op internet zoeken naar de juiste AWG-meter voor 3A, maar over het algemeen werkt de vuistregel van 4A/mm², speciaal voor korte kabels. Gebruik voor de netspanningsbedrading (120V of 230V) geschikte geïsoleerde kabels, 600V in de VS, 750V in Europa.

De seriedoorlaattransistor van het voedingscircuit (Q4) (12) is bedraad in plaats van gesoldeerd om een gemakkelijke installatie van het koellichaam (13) mogelijk te maken.

De originele 10K potmeters van het voedingscircuit zijn vervangen door multiturn modellen (7), dit maakt een nauwkeurige afstelling van de uitgangsspanning en stroom mogelijk.

Het arduino-bord van het metercircuit wordt gevoed met een voedingskabel (6) die afkomstig is van het voedingscircuit (8). Het voedingsbord is aangepast om 12V te krijgen in plaats van 24V.

De positieve pin van de CC-LED van het voedingscircuit is aangesloten op de modusconnector van het metercircuit. Hierdoor weet het wanneer de CC- of CV-modus moet worden weergegeven.

Er zijn twee knoppen aangesloten op het metercircuit (3). De uit-knop “rood” schakelt de uitgangsspanning uit. De Aan-knop "zwart" verbindt de uitgangsspanning en reset OV- of OC-fouten.

Er zijn twee potentiometers aangesloten op het metercircuit (2). De ene stelt de OV-drempel in en de andere stelt de OC-drempel in. Deze potmeters hoeven niet multiturn te zijn, ik heb de originele potmeters uit het voedingscircuit gebruikt.

Het 20x4 I2C alfanumerieke LCD-scherm (1) is aangesloten op het metercircuit. Het toont de huidige informatie over uitgangsspanning, uitgangsstroom, OV-setpoint, OC-setpoint en status.

Stap 2: Voedingscircuitkit

Ik kocht deze kit die is geclassificeerd als 30V, 3A:

Ik voeg een montagehandleiding bij die ik op internet heb gevonden en een afbeelding van het schema. Kort:

De schakeling is een lineaire voeding.

Q4 en Q2 zijn een Darlington-array en vormen de seriedoorlaattransistor, deze wordt bestuurd door de operationele versterkers om de spanning en de stroom op de gewenste waarde te houden.

De stroom wordt gemeten door R7, waarbij deze weerstand aan de lage kant wordt toegevoegd, waardoor de aarde van het voedingscircuit en de uitgangsaarde anders zijn.

Het circuit stuurt een LED aan die aangaat wanneer de constante stroommodus is ingeschakeld.

Het circuit bevat de Graeth-brug om de AC-ingang te corrigeren. De AC-ingang wordt ook gebruikt om een negatieve voorspanning te genereren om 0V te bereiken.

Er is geen thermische beveiliging in dit circuit, dus een juiste dimensionering van het koellichaam is erg belangrijk.

De schakeling heeft een 24V uitgang voor een “optionele” ventilator. Ik heb de 7824-regelaar vervangen door een 7812-regelaar om 12V te krijgen voor het Arduino-bord van het metercircuit.

Ik heb de LED niet gemonteerd, in plaats daarvan heb ik dit signaal gebruikt om het metercircuit aan te geven als de voeding in CC of CV is.

Stap 3: Assemblage van voedingscircuitkit:

In dit circuit zijn alle onderdelen doorgaand gat. Over het algemeen moet je met de kleinste beginnen.

• Soldeer alle weerstanden.
• Soldeer de rest van de componenten.
• Gebruik een tang bij het buigen van diodes om te voorkomen dat ze breken.
• Buig de kabels van de DIP8 TL081 opamps.
• Gebruik heatsink compound bij het monteren van heatsinks.

Stap 4: Metercircuitontwerp en schema

Het circuit is een schild voor Arduino UNO dat compatibel is met R3-versies. Ik heb het ontworpen met onderdelen die beschikbaar zijn op digikey.com.

De uitgang van de voedingscircuitkit van de vkmaker wordt aangesloten op het IN-aansluitblok en het OUT-aansluitblok gaat rechtstreeks naar de aansluitpunten van de voeding.

R4 is een shuntweerstand in de positieve rail met een waarde van 0,01 ohm, hij heeft een spanningsval die evenredig is met de stroomuitgang. De differentiële spanning R4 is rechtstreeks aangesloten op de RS+ en RS- pinnen van IC1. De maximale spanningsval bij maximale stroomuitgang is 4A*0.01ohm = 40mV.

R2, R3 en C2 vormen een ~15Hz-filter om ruis te voorkomen.

IC1 is een hoge-zijstroomversterker: MAX44284F. Het is gebaseerd op een gehakte operationele versterker die het mogelijk maakt om een zeer lage ingangsoffsetspanning te krijgen, maximaal 10uV bij 25ºC. Bij 1mA is de spanningsval in R4 10uV, gelijk aan de maximale ingangsoffsetspanning.

De MAX44284F heeft een spanningsversterking van 50V/V, dus de uitgangsspanning, het SI-signaal, bij de maximale stroom van 4A, zal 2V bedragen.

De maximale common-mode ingangsspanning van de MAX44284F is 36V, dit beperkt het ingangsspanningsbereik tot 36V.

R1 en C1 vormen een filter om ongewenste signalen van 10KHz en 20KHz te onderdrukken die kunnen optreden als gevolg van de architectuur van het apparaat, het wordt aanbevolen op pagina 12 van de datasheet.

R5, R6 en R7 zijn een spanningsdeler met hoge impedantie van 0,05 V/V. R7 met C4 vormen een ~5Hz-filter om ruis te voorkomen. De spanningsdeler wordt na R4 geplaatst om de werkelijke uitgangsspanning na de spanningsval te meten.

IC3 is een MCP6061T operationele versterker, het vormt een spanningsvolger om de spanningsdeler met hoge impedantie te isoleren. De maximale ingangsbiasstroom is 100pA bij kamertemperatuur, deze stroom is te verwaarlozen voor de impedantie van de spanningsdeler. Bij 10mV is de spanning aan de ingang van IC3 0,5mV, veel groter dan de offset-ingangsspanning: maximaal 150uV.

De uitgang van IC3, SV signaal, heeft een spanning van 2V bij 40V ingangsspanning (het maximaal mogelijke is 36V vanwege IC1). SI- en SV-signalen zijn aangesloten op IC2. IC2 is een MCP3422A0, een tweekanaals I2C sigma delta ADC. Het heeft een interne spanningsreferentie van 2,048V, een selecteerbare spanningsversterking van 1, 2, 4 of 8V/V en een selecteerbaar aantal van 12, 14, 16 of 18 bits.

Voor deze schakeling gebruik ik een vaste versterking van 1V/V en een vaste resolutie van 14 bits. SV- en SI-signalen zijn niet differentieel, dus de negatieve pin van elke ingang moet worden geaard. Dat betekent dat het aantal beschikbare LSB's de helft zal zijn.

Aangezien de interne spanningsreferentie 2,048V is en het effectieve aantal LSB 2^13 is, zijn de ADC-waarden: 2LSB per elke 1mA in het geval van stroom en 1LSB per elke 5mV in het geval van spanning.

X2 is de connector voor de AAN-drukknop. R11 voorkomt dat de Arduino-pin-ingang statische ontladingen veroorzaakt en R12 is een pull-up-weerstand die 5V levert wanneer deze niet wordt ingedrukt en ~0V wanneer deze wordt ingedrukt. I_ON-signaal.

X3 is de connector voor de UIT-drukknop. R13 voorkomt dat de Arduino-pin-ingang statische ontladingen veroorzaakt en R14 is een pull-up-weerstand die 5V levert wanneer deze niet wordt ingedrukt en ~0V wanneer deze wordt ingedrukt. I_OFF-signaal.

X5 is de connector voor de potentiometer voor het instelpunt van de overstroombeveiliging. R15 voorkomt dat de Arduino-ingangspin statische ontladingen krijgt en R16 voorkomt dat de +5V-rail kortsluiting krijgt. A_OC-signaal.

X6 is de connector voor de instelpotentiometer van de overspanningsbeveiliging. R17 voorkomt dat de Arduino-ingangspin statische ontladingen krijgt en R18 voorkomt dat de +5V-rail kortsluiting maakt. A_OV signaal.

X7 heeft een externe ingang die wordt gebruikt om de constante stroom- of constante spanningsmodus van de voeding te krijgen. Omdat het veel ingangsspanningen kan hebben, is het gemaakt met behulp van Q2, R19 en R20 als spanningsniveauverschuiver. I_MOD-signaal.

X4 is de connector van het externe LCD-scherm, het is slechts een verbinding van de 5V-rail, GND en I2C SCL-SDA-lijnen.

I2C-lijnen, SCL en SDA, worden gedeeld door IC2 (de ADC) en het externe LCD-scherm, ze worden omhoog getrokken door R9 en R10.

R8 en Q1 vormen de driver van K1-relais. K1 verbindt de uitgangsspanning wanneer deze wordt gevoed. Met 0V in -CUT is het relais uitgeschakeld en met 5V in -CUT wordt het relais gevoed. D3 is de vrijloopdiode om negatieve spanningen te onderdrukken bij het onderbreken van de spanning van de relaisspoel.

Z1 is een Transient Voltage Suppressor met een nominale spanning van 36V.

Stap 5: Meter Circuit PCB

Ik heb de gratis versie van Eagle gebruikt voor zowel het schema als de PCB. De PCB is een 1,6 dik dubbelzijdig ontwerp dat een apart aardingsvlak heeft voor het analoge circuit en het digitale circuit. Het ontwerp is vrij eenvoudig. Ik heb een dxf-bestand van internet met de voor de omtreksdimensie en de positie van de Arduino-pinhead-connectoren.

Ik plaats de volgende bestanden:

• Originele adelaarsbestanden: 00002A.brd en 00002A.sch.
• Gerber-bestanden: 00002A.zip.
• En de BOM(Bill Of Materials) + montagehandleiding: BOM_Assemby.pdf.

Ik bestelde de PCB naar PCBWay (www.pcbway.com). De prijs was verbazingwekkend laag: $ 33, inclusief verzendkosten, voor 10 boards die in minder dan een week arriveerden. Ik kan de resterende borden delen met mijn vrienden of ze gebruiken in andere projecten.

Er is een fout in het ontwerp, ik heb een via aanraken van de zeefdruk in de 36V-legende gezet.

Stap 6: Assemblage van metercircuit

Hoewel de meeste onderdelen in dit bord SMT zijn, kan het worden geassembleerd met een gewone soldeerbout. Ik heb een Hakko FX888D-23BY gebruikt, een pincet met fijne punt, wat soldeerlont en een soldeer van 0,02.

• Na ontvangst van de onderdelen is het het beste om ze te sorteren, ik heb de condensatoren en weerstanden gesorteerd en de zakjes geniet.
• Monteer eerst de kleine onderdelen, te beginnen met weerstanden en condensatoren.
• Monteer R4 (0R1) beginnend met een van de vier draden.
• Soldeer de rest van de onderdelen, in het algemeen voor SOT23, SOIC8, enz. De beste manier is om eerst soldeer in één pad aan te brengen, het onderdeel op zijn plaats te solderen en dan de rest van de draden te solderen. Soms kan soldeer veel pads samenvoegen, in dit geval kunt u vloeimiddel en soldeerlont gebruiken om het soldeer te verwijderen en de gaten te reinigen.
• Monteer de rest van de doorlopende componenten.

Stap 7: Arduino-code

Ik heb het bestand DCmeter.ino bijgevoegd. Alle programma's zijn in dit bestand opgenomen, behalve de LCD-bibliotheek "LiquidCrystal_I2C". De code is in hoge mate aanpasbaar, vooral de vorm van voortgangsbalken en de weergegeven berichten.

Zoals alle Arduino-codes wordt de functie setup() de eerste keer uitgevoerd en wordt de functie loop() continu uitgevoerd.

De setup-functie configureert het display, inclusief de speciale tekens voor de voortgangsbalk, start de MCP4322-statusmachine en stelt het relais en de LCD-achtergrondverlichting voor de eerste keer in.

Er zijn geen interrupts, in elke iteratie voert de lusfunctie de volgende stappen uit:

Verkrijg de waarde van alle ingangssignalen I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV en I_MOD. I_ON en I_OFF worden opgeheven. A_OC en A_OV worden rechtstreeks uit de Arduino's ADC gelezen en gefilterd met behulp van het mediane deel van de laatste drie metingen. I_MOD wordt direct gelezen zonder debouncing.

Regel de inschakeltijd van de achtergrondverlichting.

Voer de MCP3422-statusmachine uit. Elke 5 ms peilt het de MCP3422 om te zien of de laatste conversie is voltooid en zo ja, start het de volgende, en krijgt achtereenvolgens de waarde van spanning en stroom die aanwezig zijn aan de uitgang.

Als er nieuwe waarden zijn van uitgangsspanning en stroom van de MCP3422-statusmachine, wordt de status van de voeding bijgewerkt op basis van de metingen en wordt het display bijgewerkt.

Er is een dubbele bufferimplementatie voor het sneller bijwerken van het display.

De volgende macro's kunnen worden aangepast voor andere projecten:

MAXVP: Maximale OV in 1/100V-eenheden.

MAXCP: Maximale OC in 1/1000A-eenheden.

DEBOUNCEHARDNESS: Aantal iteraties met een opeenvolgende waarde om te raden dat het correct is voor I_ON en I_OFF.

LCD4x20 of LCD2x16: Compilatie voor 4x20 of 2x16 display, de 2x16 optie is nog niet geïmplementeerd.

De 4x20 uitvoering toont de volgende informatie: In de eerste rij de uitgangsspanning en de uitgangsstroom. In de tweede rij een voortgangsbalk die de uitgangswaarde weergeeft ten opzichte van het beveiligingsinstelpunt voor zowel spanning als stroom. Int de derde rij het huidige setpoint voor overspanningsbeveiliging en overstroombeveiliging. In de vierde rij de huidige status van de voeding: CC ON (Aan in constante stroommodus), CV AAN (Aan in constante spanningsmodus), UIT, OV UIT (Uit om aan te geven dat de voeding uitviel vanwege een OV), OC UIT (Uit, wat aangeeft dat de voeding is uitgevallen vanwege een OC).

Ik heb dit bestand gemaakt voor het ontwerpen van de tekens van de voortgangsbalken:

Stap 8: thermische problemen

Het gebruik van de juiste heatsink is erg belangrijk bij deze montage omdat het voedingscircuit niet zelf beschermd is tegen oververhitting.

Volgens de datasheet heeft de 2SD1047 transistor een junction to case thermische weerstand van Rth-j, c = 1,25ºC/W.

Volgens deze webcalculator: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi… is de thermische weerstand van de heatsink die ik heb gekocht Rth-hs, lucht = 0,61ºC/W. Ik ga ervan uit dat de werkelijke waarde lager is omdat het koellichaam aan de behuizing is bevestigd en de warmte ook op die manier kan worden afgevoerd.

Volgens de eBay-verkoper is de thermische geleidbaarheid van de isolatieplaat die ik heb gekocht K = 20,9 W/(mK). Hiermee is bij een dikte van 0,6 mm de thermische weerstand: R = L/K = 2,87e-5(Km2)/W. Dus de thermische weerstand van de isolator tot het koellichaam van de isolator voor het 15 mm x 15 mm oppervlak van de 2SD1047 is: Rth-c, hs = 0,127ºC/W. Een handleiding voor deze berekeningen vindt u hier:

Het maximaal toelaatbare vermogen voor 150ºC in de kruising en 25ºC in de lucht is: P = (Tj - Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, lucht + Rth-c, hs) = (150 - 25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63W.

De uitgangsspanning van de transformator is 21VAC bij vollast, dat is na diodes en filtering gemiddeld 24VDC. Dus de maximale dissipatie is P = 24V * 3A = 72W. Rekening houdend met het feit dat de thermische weerstand van het koellichaam iets lager is vanwege de dissipatie van de metalen behuizing, ben ik ervan uitgegaan dat dit voldoende is.

Stap 9: Behuizing

De behuizing, inclusief verzendkosten, is het duurste onderdeel van de voeding. Ik vond dit model op ebay, van Cheval, een Thay-fabrikant: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. In feite kwam de eBay-verkoper uit Thailand.

Deze doos heeft een zeer goede prijs-kwaliteitverhouding en is redelijk goed verpakt aangekomen.

Stap 10: Voorpaneel mechaniseren

De beste optie voor het mechaniseren en graveren van het frontpaneel is het gebruik van een router zoals deze https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k… of het maken van een op maat gemaakte plastic hoes met bijvoorbeeld PONOKO. Maar omdat ik de router niet heb en ik niet veel geld wilde uitgeven, besloot ik het op de oude manier te maken: knippen, bijsnijden met bestand en transferletters gebruiken voor de tekst.

Ik heb een Inkscape-bestand bijgevoegd met het stencil: frontPanel.svg.

• Snijd het sjabloon.
• Bedek het paneel met schilderstape.
• Lijm het sjabloon op de schilderstape. Ik heb een lijmstift gebruikt.
• Markeer de positie van de boren.
• Boor gaten zodat de fretzaag of het copingzaagblad in de interne sneden kan komen.
• Knip alle vormen uit.
• Trim met een bestand. Bij ronde gaten voor potentiometers en bindpalen is het niet nodig om de zaag voor het vijlen te gebruiken. In het geval van het display-gat moet het trimmen van de vijl zo goed mogelijk zijn, omdat deze randen zichtbaar zullen zijn.
• Verwijder het sjabloon en de schilderstape.
• Markeer de positie van de teksten met een potlood.
• Breng de brieven over.
• Verwijder de potloodmarkeringen met een gum.

Stap 11: Achterpaneel mechaniseren

• Markeer de positie van het koellichaam, inclusief het gat voor de vermogenstransistor en de positie van de bevestigingsschroeven.
• Markeer het gat voor toegang tot het koellichaam vanuit de binnenkant van de voedingsbehuizing, ik heb de isolator als referentie gebruikt.
• Markeer het gat voor de IEC-connector.
• Boor de contouren van de vormen.
• Boor de gaten voor de schroeven.
• Knip de vormen uit met een kniptang.
• Knip de vormen bij met een bestand.

Stap 12: Voorpaneel monteren

• Strip een meeraderige kabel van schroot om kabels te krijgen.
• Bouw de LCD-assemblage door de I2C naar de parallelle interface te solderen.
• Bouw de "molex connector", draad en krimpkous voor: potentiometers, drukknoppen en LCD. Verwijder eventuele uitstulpingen in potentiometers.
• Verwijder de wijzerring van knoppen.
• Snijd de staaf van potentiometers op maat van de knop. Ik heb een stuk karton als meter gebruikt.
• Bevestig de drukknoppen en de aan / uit-knop.
• Monteer de potentiometers en installeer de knoppen, de multiturn-potentiometers die ik heb gekocht hebben een ¼ inch-as en de modellen met één slag hebben een 6 mm-as. Ik heb ringen gebruikt als afstandhouders om de afstand van potentiometers in te korten.
• Schroef de bindingsposten vast.
• Plak dubbelzijdig plakband in het LCD-scherm en plak het op het paneel.
• Soldeer de positieve en negatieve draden aan de bindingsposten.
• Monteer de GND-aansluitschoen in de groene verbindingspaal.

Stap 13: Achterpaneel monteren

• Schroef het koellichaam op het achterpaneel, hoewel verf een thermische isolator is, heb ik koellichaamvet aangebracht om de warmteoverdracht van het koellichaam naar de behuizing te vergroten.
• Monteer de IEC-connector.
• Plaats de zelfklevende afstandhouders met behulp van het circuit van de voedingskit.
• Schroef de vermogenstransistor en de isolator vast, er moet thermisch vet in elk oppervlak zitten.
• Monteer de 7812 voor het voeden van de Arduino, deze is naar de behuizing gericht om warmteafvoer mogelijk te maken, met behulp van een van de schroeven die de heatsink vasthouden. Ik had een plastic ring zoals deze moeten gebruiken https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Transistor-… maar uiteindelijk gebruikte ik dezelfde isolator als de vermogenstransistor en een gebogen stuk van de behuizing.
• Sluit de vermogenstransistor en de 7812 aan op het voedingscircuit.

Stap 14: Eindmontage en bedrading

• Markeer en boor de gaten voor de transformator.
• Monteer de transformator.
• Plak de zelfklevende pootjes van de behuizing.
• Plak het DC-metercircuit met zelfklevende afstandhouders.
• Schraap de verf om de GND-nok vast te schroeven.
• Bouw de netspanningskabels, alle aansluitingen zijn 3/16” Faston. Ik heb een krimpkous gebruikt om de aansluitingen te isoleren.
• Snijd het voorste deel van de houder van de behuizing aan de rechterkant om ruimte te krijgen voor de aan / uit-drukknop.
• Sluit alle draden aan volgens de montagehandleiding.
• Installeer de zekering (1A).
• Zet de uitgangsspanningspotentiometer (de VO-potentiometer) op de minimum CCW en stel de uitgangsspanning zo dicht mogelijk in op nul volt met behulp van de multiturn fijnafstelpotentiometer van het voedingscircuit van de vkmaker.
• Monteer de behuizing.

Stap 15: Verbeteringen en verder werken

Verbeteringen

• Gebruik sluitringen in de stijl van een kweker om te voorkomen dat schroeven door trillingen losraken, met name de trillingen van de transformator.
• Verf het voorpaneel met transparante lak om te voorkomen dat letters worden weggevaagd.

Verder werken:

• Voeg een USB-connector toe zoals deze: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… in het achterpaneel. Handig voor het upgraden van code zonder demontage of voor het maken van een kleine ATE die de Aan Uit-functies bestuurt, status opvraagt en meet met behulp van een pc.
• Maak de 2x16 LCD-compilatie van code.
• Maak een nieuw voedingscircuit, in plaats van de vkmaker-kit, met digitale controle van de uitgangsspanning en stroom.
• Voer de adequate tests uit om de voeding te karakteriseren.

Eerste prijs in de Power Supply Contest