Zasilacz warsztatowy 20V 4A


Zasilacz Warsztatowy
Układ zasilacza warsztatowego o regulowanym napięciu wyjściowym 2V-20V i wybieranym ograniczeniu prądowym 0,4A lub 4A. Zasilacz umożliwia także podanie jednego z trzech napięć przemiennych prosto z transformatora na zasiski wyjściowe

Zasilacz warsztatowy, którego budowę przedstawiono w tekście powstał w wyniku potrzeby posiadania uniwersalnego źródła zasilania niezbędnego przy uruchamianiu rozmaitych układów i urządzeń elektronicznych. Wstępnie założono, że zasilacz będzie zasilaczem warsztatowym o stosunkowo prostej budowie, regulacji napięcia w zakresie najczęściej używanym tj. 2V-20V oraz będzie posiadał ograniczenie prądowe dwuzakresowe tj. 0,4A i 4A. Elementem regulującym powinien być jeden potencjometr (wieloobrotowy) a za przełączanie zakresu ograniczenia prądowego powinien odpowiadać jeden przełącznik. Zasilacz warsztatowy w przeciwieństwie do laboratoryjnego powinien być prosty jak najbardziej się da, o solidnej budowie i odporny na zwarcie. Miłym dodatkiem byłaby jakaś nutka nowoczesności typu wyświetlacz LCD, mikrokontroler, pomiary napięcia, funkcja napięcia przemiennego na zaciskach itd.

W poszukiwaniu rozwiązania układowego skupiono się na zasilaczach liniowych, które z zasady dostarczają czystego zasilania, ale niestety zawsze towarzyszy temu niska sprawność i konieczność odprowadzenia ciepła. Jak temu zaradzono o tym dalej.
Mikrokontroler? W istniejących układach, których autorzy zastosowali mikrokontroler można spotkać się z różnymi sposobami regulacji napięcia czy prądu. Jedne są skuteczne bardziej, inne mniej. Zawsze jednak szybkość odpowiedzi zasilacza jest powiązana z szybkością części cyfrowej układu i układy analogowe są tu po prostu lepsze.
Projekt oparto na znamym od lat układzie L200, który wspomagany jest jednym tranzystorem PNP. Sama aplikacja stabilizatora L200 z tranzystorem PNP jest prosta i skuteczna, należy tylko rozbudować ją o przełączany układ ograniczenia prądowego i układ pomiarowy.

Schemat


W prezentowanym zasilaczu warsztatowym zastosowano układ dwóch przekaźników przełączających uzwojenia wtórne transformatora zasilającego. Jest to niezbędne aby mieć pod kontrolą straty generowane przez układ regulujący. Zastosowany transformator to wieloodczepowe trafo pochodzące z wyprzedażowej oferty Conrada. Jest to transformator o mocy 90VA i prądzie 5A. Ma on sześć odczepów umożliwiających dowolną konfigurację.
W zasilaczu zastosowano odczepy 20-14=>6Vac, 20-4=>11Vac, 20-11=>18Vac



Napięcie 18Vac jest niestety trochę niskie jak na spełnienie początkowych założeń i aby ratować się małą utratą Voltów, w mostku wykorzystano diody Schottky. Na zdjęciu niżej pokazano napięcie obecne na kondensatorach za mostkiem przy zasilaniu z uzwojeń 18Vac i pobieranym prądzie 4A. Napięcie to wynosi 22,6V i szacuję, że przy prądzie 4A zasilacz nie pozwoli na osiągnięcie napięcia wyjściowego 20V. Jest też bardzo możliwe, że układ ograniczy prąd tak, aby osiągnąć 20V zadane potencjometrem.


W obwodach odpowiedzialnych z ograniczenie prądowe, zastosowano dzielony rezystor na którym odkłada się napięcie kontrolowane komparatorem w L200. Gdy osiągnie ono 0,45V następuje ograniczenie prądu wyjściowego. Rezystory ograniczające prąd to R3 (0,82Ohm) i R2(0,1Ohm). Rezystor R3 jest zwierany przekaźnikiem Rel3 i wtedy pracuje wyłącznie rezystor R2, który teoretycznie powinien spowodować ograniczenie prądu do wartości 4,5A. Po rozwarciu przekaźnika Rel3, następuje dołączenie R3 i prąd jest ograniczany od wartości ok. 400mA. Przy praktycznej realizacji tego rozwiązania napotkano problem rezystancji ścieżek prądowych. Przy projektowaniu płytki pcb brano pod uwagę najkrótszy i najkorzystniejszy przebieg ścieżęk prądowych ale i tak konieczne było indywidualne dobranie rezystorów prądowych aby osiągnąć założone poziomy ograniczenia prądowego. Dodatkowo, konieczne było zwiększenie przekroju ścieżek miedzianych odcinkami przewodu.



Układ pomiaru napięcia oparto na dzielnikach napięciowych R18-R17,R15 oraz R13,R19-R12. Pomiar napięcia przed L200 na chwilę obecną nie jest wykorzystywany. Układ pomiaru prądu oparto na układzie INA168, który jest układem pomiarowym prądu strony zasilającej. Zastosowanie klasycznego rozwiązania z rezystorem przy masie spowodowałoby problemy z właściwym pomiarem napięcia przez dzielnik. Układ INA168 zawiera w sobie wzmacniacz pomiarowy o wzmocnieniu zależnym od rezystora obciążającego wyjście. W naszym przypadku rezystor ten to R5, którego wartość 10k określa wzmocnienie INA168 na 2x. Napięcie to jest przez wtórnik napięciowy dostarczane do przetwornika adc w mikrokontrolerze.

Podstawowa aplikacja L200 umożliwia regulację napięcia od wartości ok. 2,77V i aby te napięcie nieco obniżyć dorobiono prosty układ do oddzielnego zasilacza części cyfrowej, dostarczający ujemne napięcie ok. -1,4V, które ustalane jest przez diody D12, D13. Napięcie to podane na masę stabilizatora L200 obniża dolny próg regulacji o 1,4V. W praktyce osiągane napięcie na wyjściu to 1,3V. Niższe napięcia niż 1,3V nie są stosowane przy uruchamianiu popularnych układów elektronicznych.

Zbudowany zasilacz warsztatowy posiada także niespotykaną funkcję dostarczania napięcia AC na zaciskach wyjściowych. Tak, ten zasilacz umożliwia podanie napięcia wprost z transformatora na zaciski wyjściowe! Napięcie te można dostosować regulując potencjometrem na płycie czołowej. Jak wcześniej wspomniano, w zasilaczu przełączane są uzwojenia wtórne transormatora i możliwe jest w zależności od położenia gałki potencjometra regulacyjnego podanie napięcia AC na zaciski wyjściowe o wartości 6V, 11V, 18V. Obwód zabezpieczono bezpiecznikiem polimerowym 4A. Jest to naprawdę unikalna funkcja zasilacza -niespotykana nigdzie indziej.



Część cyfrowa zasilacza służy wyłącznie do pomiarów wartości napięcia i prądu, realizacji funkcji przez styki przekaźników oraz prezentowania trybu pracy i mierzonych wartości na wyświetlaczu lcd. Mikrokontrolerem nadzorującym pracę jest Atmega16 w obudowie dip40. Wybrano obudowę dip40 ponieważ duży rozmiar jest przyjazny w ew. serwisowaniu urządzenia. Wszelkie dane prezentowane są na wyświetlaczu graficznym lcd 128x64 ze sterownikiem zgodnym z KS0108. Mikrokontroler oprogramowano w środowisku Bascom.
W skrócie, uC zapewnia w zależności od ustawionego napięcia wyjściowego odpowiednie dołączenie uzwojeń transformatora zasilającego. Na chwilę obecną:
Dla napięcia Uwy<3,8V dołączane jest napięcie 6Vac,
dla napięcia Uwy 3,8V-9,6V dołączane jest napięcie 11Vac (w planie 9,4Vac)
dla napięcia Uwy >9,6V dołączane jest napięcie 18Vac
Zauważono, że niskie napięcie dropout ogranicza wydajność prądową całego układu i najlepiej jak jest conajmniej 3V. Niestety sprawność układu maleje.
Przełącznikiem podłączonym do złącza J2, można wybierać ograniczenie prądowe 0,4A i 4A a także po dłuższym naciśnieciu przełączać napięcie na zaciskach wyjściowych pomiędzy napięciem DC i AC. Po przekroczeniu prądu maksymalnego załączana jest sygnalizacja dźwiękowa buzzerem. Próg ustawiono wg założeń a faktyczne ograniczenie jest odrobinę dalej. Ponad to wyświetlana jest informacja/alarm na lcd o maksymalnym prądzie. Jeżeli maksymalnemu prądowi towarzyszy niskie napięcie to komunikat na lcd sugeruje zwarcie.



Zasilacz zabudowano w fabrycznej obudowie zdobytej lata temu na aukcji. Była to nowa obudowa -producent nie znany. Wszystkie podzespoły zamocowano do bocznych ścianek obudowy, co stwarza wspaniałe warunki do serwisowania urządzenia. Panel czołowy nakładany na przednią ściankę obudowy to laminat grawerski.



Płytkę, kolejną już płytkę wykonałem programem DipTrace. Jest to już mój ulubiony program do pcb. Wcześniej robiłem EAGLE, ale ostatnia wersja ma jakieś logowanie do konta, występują błędy Win7 przy zamykaniu, no i ten rozmiar pcb 80x100. W DipTrace rozmiar nie jest ograniczony. Freeware to max 500 padów na płytce. W pcb do zasilacza wyszło chyba 502 pady i musiałem złącze J4 zamienić na przelotki -takie obejście. Intuicyjnie DipTrace jest bliższy Eagle niż KiCadowi. Kicad jest ciężki...



Zauważone uchybienia;
- należy indywidualnie dobierać rezystory prądowe,
- złącze J4 przeznaczone do ew. wentylatora jest dołączone do masy zamiast do +9V z Tr1
- pomimo zastosowania przełączania uzwojeń, zasilacz wymaga jakiegoś ruchu powietrza wewnątrz. W chwili obecnej, po dłuższej pracy w najmniej korzystnej konfiguracji mocno gorące są radiatory diód prostowniczych, radiatora L200, radiatora z PNP MJ2955(izolowany), no i sam transformator. Temperatura odczuwana ręką jest na granicy parzenia. Przewiduje się w przyszłości zamontowanie małego wentylatora nad płytką pcb, wyciągającego powietrze z obudowy. Skuteczność chłodzenia konwekcyjnego w tym zasilaczu jest na granicy przyzwoitości.


Na schemacie brakuje wartości elementów. Załączono pliki DipTrace, w których wartości są najbardziej aktualne.

Pliki DipTrace