Bekalan Kuasa Makmal Hebat: 15 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

Dari sudut pandangan saya, salah satu kaedah terbaik untuk memulakan elektronik adalah dengan membina bekalan elektrik makmal anda sendiri. Dalam arahan ini, saya telah berusaha mengumpulkan semua langkah yang diperlukan agar sesiapa sahaja dapat membina sendiri.

Semua bahagian pemasangan boleh diatur secara langsung dalam bentuk digikey, ebay, amazon atau aliexpress kecuali litar meter. Saya membuat perisai litar meter khas untuk Arduino yang dapat mengukur hingga 36V - 4A, dengan resolusi 10mV - 1mA yang dapat digunakan untuk projek lain juga.

Bekalan kuasa mempunyai ciri-ciri berikut:

• Voltan Nominal: 24V.
• Nominal Semasa: 3A.
• Gelombang Voltan Keluaran: 0,01% (Mengikut spesifikasi kit litar bekalan kuasa).
• Resolusi pengukuran voltan: 10mV.
• Resolusi pengukuran semasa: 1mA.
• Mod CV dan CC.
• Lebih dari perlindungan semasa.
• Perlindungan voltan berlebihan.

Langkah 1: Bahagian dan Pendawaian

Selain dari Gambar, saya telah melampirkan fail WiringAndParts.pdf ke langkah ini. Dokumen ini menerangkan semua bahagian berfungsi, termasuk pautan pesanan, bekalan kuasa bangku dan cara menghubungkannya.

Voltan utama masuk melalui penyambung panel IEC (10) yang mempunyai dudukan yang mudah terbakar, terdapat suis kuasa di panel depan (11) yang memutuskan litar yang terbentuk dari penyambung IEC ke pengubah (9).

Pengubah (9) mengeluarkan 21VAC. 21 VAC pergi terus ke litar bekalan kuasa (8). Keluaran litar bekalan kuasa (8) terus ke terminal IN litar meter (5).

Terminal OUT litar meter (5) disambungkan terus ke tiang pengikat positif dan negatif (4) dari bekalan kuasa. Litar meter mengukur voltan dan arus (sisi tinggi), dan dapat mengaktifkan atau mematikan hubungan antara masuk dan keluar.

Kabel, secara amnya menggunakan kabel sekerap yang anda ada di rumah. Anda boleh memeriksa internet untuk mengukur AWG yang sesuai untuk 3A tetapi, secara amnya peraturan ibu jari 4A / mm² berfungsi, khas untuk kabel pendek. Untuk pendawaian voltan utama (120V atau 230V) gunakan kabel terpencil yang betul, 600V di Amerika Syarikat, 750V di Eropah.

Transistor lulus siri litar bekalan kuasa (Q4) (12) telah disambungkan dan bukannya disolder untuk membolehkan pemasangan pendingin panas dengan mudah (13).

Potensiometer 10K asal litar bekalan kuasa telah diganti dengan model multiturn (7), ini memungkinkan penyesuaian voltan dan arus keluaran yang tepat.

Papan arduino litar meter dikuasakan menggunakan kabel soket kuasa (6) yang berasal dari litar bekalan kuasa (8). Papan bekalan kuasa telah diubah suai untuk mendapatkan 12V dan bukannya 24V.

Pin positif LED CC dari litar bekalan kuasa disambungkan ke penyambung mod Litar Meter. Ini membolehkannya mengetahui kapan hendak menampilkan mod CC atau CV.

Terdapat dua butang yang dihubungkan ke litar meter (3). Butang Mati "merah" memutuskan voltan keluaran. Butang Hidup "hitam" menghubungkan voltan output dan menetapkan semula kesalahan OV atau OC.

Terdapat dua potensiometer yang disambungkan ke litar meter (2). Satu menetapkan ambang OV dan yang lain menetapkan ambang OC. Potensiometer ini tidak perlu multiturn, saya telah menggunakan potensiometer asli dari litar bekalan kuasa.

LCD alfanumerik 20x4 I2C (1) disambungkan ke litar meter. Ia menunjukkan maklumat semasa mengenai voltan output, arus keluaran, titik seting OV, titik seting OC dan status.

Langkah 2: Kit Litar Bekalan Kuasa

Saya membeli kit ini dengan nilai 30V, 3A:

Saya melampirkan panduan pemasangan yang saya dapati di Internet dan gambar Skema. Secara ringkas:

Litar adalah bekalan kuasa linear.

Q4 dan Q2 adalah array Darlington dan membentuk transistor lulus siri, ia dikendalikan oleh penguat operasi untuk mengekalkan voltan dan arus pada nilai yang diinginkan.

Arus diukur oleh R7, menambahkan rintangan ini di sisi rendah menjadikan tanah litar bekalan kuasa dan tanah output berbeza.

Litar menggerakkan LED yang menyala ketika mod arus berterusan menyala.

Litar menggabungkan jambatan Graeth untuk membetulkan input AC. Input AC juga digunakan untuk menghasilkan voltan bias negatif hingga mencapai 0V.

Tidak ada perlindungan terma dalam litar ini, maka dimensi penyejukan heatsink sangat penting.

Litar ini mempunyai output 24V untuk kipas "pilihan". Saya telah menggantikan pengatur 7824 dengan pengatur 7812 untuk mendapatkan 12V untuk papan Arduino litar meter.

Saya belum memasang LED, sebaliknya saya telah menggunakan isyarat ini untuk menunjukkan litar meter jika bekalan kuasa berada dalam CC atau CV.

Langkah 3: Pemasangan Kit Litar Bekalan Kuasa

Dalam litar ini semua bahagian melalui lubang. Secara amnya anda mesti bermula dengan yang terkecil.

• Pateri semua perintang.
• Selesaikan sisa komponen.
• Gunakan tang semasa membongkok diod mengarah untuk mengelakkannya pecah.
• Bengkokkan petunjuk penguat DIP8 TL081.
• Gunakan sebatian heatsink semasa memasang heatsink.

Langkah 4: Reka Bentuk dan Skema Litar Meter

Litar adalah perisai untuk Arduino UNO yang serasi dengan versi R3. Saya telah merancangnya dengan bahagian yang terdapat di digikey.com.

Output kit litar bekalan kuasa vkmaker disambungkan ke blok terminal IN dan blok terminal OUT terus menuju ke tiang pengikat bekalan kuasa.

R4 adalah perintang shunt pada rel positif bernilai 0,01ohm, ia mempunyai penurunan voltan berkadar dengan oputput semasa. Voltan pembezaan R4 disambungkan terus ke RS + dan RS-pin IC1. Penurunan voltan maksimum pada output arus maksimum ialah 4A * 0.01ohm = 40mV.

R2, R3 dan C2 membentuk penapis ~ 15Hz untuk mengelakkan kebisingan.

IC1 adalah penguat arus sisi tinggi: MAX44284F. Ini didasarkan pada penguat operasi cincang yang menjadikannya mampu mendapatkan voltan pengimbangan input yang sangat rendah, 10uV maksimum pada 25ºC. Pada 1mA penurunan voltan dalam R4 adalah 10uV, sama dengan voltan mengimbangi input maksimum.

MAX44284F mempunyai kenaikan voltan 50V / V sehingga voltan keluaran, isyarat SI, pada arus maksimum 4A, akan bernilai 2V.

Voltan input mod biasa maksimum MAX44284F adalah 36V, ini menghadkan julat voltan input hingga 36V.

R1 dan C1 membentuk penapis untuk menekan 10KHz dan 20KHz isyarat yang tidak diingini yang dapat muncul kerana seni bina peranti, disarankan pada halaman 12 lembar data.

R5, R6 dan R7 adalah pembahagi voltan impedans tinggi 0.05V / V. R7 dengan C4 membentuk penapis ~ 5Hz untuk mengelakkan kebisingan. Pembahagi voltan diletakkan selepas R4 untuk mengukur voltan keluaran sebenar setelah penurunan voltan.

IC3 adalah penguat operasi MCP6061T, ia membentuk pengikut voltan untuk mengasingkan pembahagi voltan impedans tinggi. Arus bias input maksimum ialah 100pA pada suhu bilik, arus ini boleh diabaikan terhadap impedans pembahagi voltan. Pada 10mV voltan pada input IC3 adalah 0.5mV, jauh lebih besar daripada voltan mengimbangi inputnya: maksimum 150uV.

Keluaran IC3, isyarat SV, mempunyai voltan 2V pada voltan input 40V (maksimum yang mungkin adalah 36V kerana IC1). Isyarat SI dan SV disambungkan ke IC2. IC2 adalah MCP3422A0, saluran dual I2C sigma delta ADC. Ia mempunyai rujukan voltan dalaman 2.048V, keuntungan voltan terpilih 1, 2, 4, atau 8V / V dan bilangan 12, 14, 16 atau 18 bit yang boleh dipilih.

Untuk litar ini, saya menggunakan keuntungan tetap 1V / V dan resolusi tetap 14 bit. Isyarat SV, dan SI tidak berbeza sehingga pin negatif setiap input mesti dibumikan. Ini bermakna jumlah LSB yang tersedia akan menjadi separuh.

Oleh kerana rujukan voltan dalaman adalah 2.048V dan bilangan LSB yang efektif adalah 2 ^ 13, nilai ADC adalah: 2LSB setiap 1mA untuk arus dan 1LSB setiap 5mV untuk voltan.

X2 adalah penyambung untuk butang ON. R11 menghalang input pin Arduino dari pelepasan statik dan R12 adalah resistor pull-up yang menjadikan 5V ketika tidak tertekan dan ~ 0V ketika ditekan. Isyarat I_ON.

X3 adalah penyambung untuk butang OFF. R13 menghalang input pin Arduino dari pelepasan statik dan R14 adalah perintang tarik yang menjadikan 5V ketika tidak tertekan dan ~ 0V ketika ditekan. Isyarat I_OFF.

X5 adalah penyambung untuk potensiometer set point perlindungan arus lebihan. R15 menghalang pin input Arduino dari pelepasan statik dan R16 menghalang rel + 5V dari litar pintas. Isyarat A_OC.

X6 adalah penyambung bagi potensiometer set point perlindungan voltan tinggi. R17 menghalang pin input Arduino dari pelepasan statik dan R18 menghalang rel + 5V dari litar pintas. Isyarat A_OV.

X7 memasukkan input luaran yang digunakan untuk mendapatkan mod arus voltan atau voltan tetap bekalan kuasa. Oleh kerana ia boleh mempunyai banyak voltan input, ia dibuat menggunakan Q2, R19, dan R20 sebagai pengubah tahap voltan. Isyarat I_MOD.

X4 adalah penyambung LCD luaran, ini hanyalah sambungan dari rel 5V, GND dan I2C SCL-SDA.

Garis I2C, SCL dan SDA, dikongsi oleh IC2 (ADC) dan LCD luaran, ia ditarik oleh R9 dan R10.

R8 dan Q1 membentuk pemacu relay K1. K1 menghubungkan voltan keluaran semasa dihidupkan. Dengan 0V in -CUT relay tidak dihidupkan, dan dengan 5V in -CUT relay dihidupkan. D3 adalah diod roda bebas untuk menekan voltan negatif semasa memotong voltan gegelung geganti.

Z1 adalah Transient Voltage Suppressor dengan voltan nominal 36V.

Langkah 5: PCB Litar Meter

Saya telah menggunakan versi percuma Eagle untuk skema dan PCB. PCB berukuran 1.6 sisi dua sisi tebal yang mempunyai bidang tanah yang terpisah untuk litar analog dan litar digital. Reka bentuknya cukup ringkas. Saya mendapat fail dxf dari Internet dengan dimensi garis besar dan kedudukan penyambung pinhead Arduino.

Saya menyiarkan fail berikut:

• Fail helang asli: 00002A.brd dan 00002A.sch.
• Fail gerber: 00002A.zip.
• Dan panduan pemasangan BOM (Bill Of Materials) +: BOM_Assemby.pdf.

Saya memesan PCB ke PCBWay (www.pcbway.com). Harganya sangat rendah: $ 33, termasuk penghantaran, untuk 10 papan yang tiba dalam masa kurang dari seminggu. Saya boleh berkongsi papan yang tinggal dengan rakan saya atau menggunakannya dalam projek lain.

Terdapat kesilapan dalam reka bentuk, saya meletakkan melalui menyentuh silkscreen dalam legenda 36V.

Langkah 6: Pemasangan Litar Meter

Walaupun kebanyakan bahagiannya adalah SMT di papan ini, ia dapat dipasang dengan besi pemateri biasa. Saya telah menggunakan Hakko FX888D-23BY, pinset hujung halus, sumbu solder, dan solder 0.02.

• Setelah menerima bahagian, idea terbaik adalah menyusunnya, saya telah menyusun kapasitor dan perintang dan memasukkan beg.
• Pertama pasang bahagian kecil, bermula dengan perintang dan kapasitor.
• Pasang R4 (0R1) bermula dengan salah satu daripada empat petunjuk.
• Memateri bahagian yang lain, secara amnya untuk SOT23, SOIC8, dan lain-lain cara terbaik adalah dengan menggunakan solder dalam satu pad terlebih dahulu, solder bahagian di tempatnya dan kemudian solkan sisa plumbum. Kadang kala solder boleh bergabung dengan banyak pad, dalam hal ini anda boleh menggunakan fluks dan solder sumbu untuk menghilangkan solder dan membersihkan celah.
• Pasang komponen lubang yang selebihnya.

Langkah 7: Kod Arduino

Saya telah melampirkan fail DCmeter.ino. Semua program termasuk dalam fail ini selain dari perpustakaan LCD "LiquidCrystal_I2C". Kodnya sangat disesuaikan, terutama bentuk bar kemajuan dan mesej yang dipaparkan.

Seperti semua kod arduino, fungsi setup () dijalankan pertama kali dan fungsi loop () dijalankan secara berterusan.

Fungsi persediaan mengkonfigurasi paparan, termasuk karakter khas untuk bar kemajuan, memasuki mesin keadaan MCP4322 dan menyiapkan geganti dan lampu latar LCD untuk pertama kalinya.

Tidak ada gangguan, dalam setiap lelaran fungsi gelung melakukan langkah-langkah berikut:

Dapatkan nilai semua isyarat input I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV dan I_MOD. I_ON, dan I_OFF diturunkan. A_OC dan A_OV dibaca terus dari ADC Arduino dan disaring menggunakan bahagian tengah dari tiga ukuran terakhir. I_MOD dibaca secara langsung tanpa menolak.

Kawal masa menghidupkan lampu latar.

Laksanakan mesin keadaan MCP3422. Setiap 5ms ia memilih MCP3422 untuk melihat apakah penukaran terakhir selesai dan jika demikian ia bermula berikutnya, berturut-turut mendapat nilai voltan dan arus semasa pada output.

Sekiranya terdapat nilai voltan dan arus keluaran segar dari mesin keadaan MCP3422, kemas kini status bekalan kuasa berdasarkan pengukuran dan kemas kini paparan.

Terdapat implementasi penyangga berganda untuk memperbaharui paparan dengan lebih pantas.

Makro berikut boleh disesuaikan untuk projek lain:

MAXVP: OV maksimum dalam 1 / 100V unit.

MAXCP: OC maksimum dalam 1 / 1000A unit.

DEBOUNCEHARDNESS: Bilangan lelaran dengan nilai berturut-turut untuk meneka betul untuk I_ON dan I_OFF.

LCD4x20 atau LCD2x16: Kompilasi untuk paparan 4x20 atau 2x16, pilihan 2x16 belum dilaksanakan.

Pelaksanaan 4x20 menunjukkan maklumat berikut: Pada baris pertama voltan output dan arus keluaran. Pada baris kedua bar kemajuan yang mewakili nilai output relatif terhadap titik perlindungan untuk voltan dan arus. Pada baris ketiga titik tolak semasa untuk perlindungan tegangan dan perlindungan arus lebih. Pada baris keempat status semasa bekalan kuasa: CC ON (Hidup dalam mod arus malar), CV ON (Hidup dalam mod voltan malar), MATI, OV MATI (Mati menunjukkan bahawa bekalan kuasa mati kerana OV), OC OFF (Mati menunjukkan bahawa bekalan kuasa mati kerana OC).

Saya telah membuat fail ini untuk merancang bahagian bar kemajuan:

Langkah 8: Isu Termal

Menggunakan heatsink yang betul sangat penting dalam pemasangan ini kerana litar bekalan kuasa tidak dilindungi diri daripada terlalu panas.

Menurut lembaran data, transistor 2SD1047 mempunyai persimpangan ke kes rintangan haba Rth-j, c = 1.25ºC / W.

Menurut kalkulator web ini: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi… rintangan termal dari heatsink yang saya beli adalah Rth-hs, air = 0.61ºC / W. Saya akan menganggap bahawa nilai sebenarnya lebih rendah kerana heatsink dilekatkan pada casing dan panas juga boleh hilang begitu sahaja.

Menurut penjual ebay, kekonduksian terma lembaran pengasing yang telah saya beli adalah K = 20.9W / (mK). Dengan ini, dengan ketebalan 0.6mm, rintangan terma adalah: R = L / K = 2.87e-5 (Km2) / W. Oleh itu, kes rintangan haba ke sink haba isolator untuk permukaan 15mm x 15mm dari 2SD1047 adalah: Rth-c, hs = 0.127ºC / W. Anda boleh mendapatkan panduan untuk pengiraan ini di sini:

Kuasa maksimum yang dibenarkan untuk 150ºC di persimpangan dan 25ºC di udara adalah: P = (Tj - Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, udara + Rth-c, hs) = (150 - 25) / (1.25 + 0.61 + 0.127) = 63W.

Voltan keluaran transformer adalah 21VAC pada beban penuh, yang menjadikan purata 24VDC setelah dioda dan penapisan. Jadi pelesapan maksimum akan menjadi P = 24V * 3A = 72W. Dengan mengambil kira bahawa rintangan haba pendingin panas sedikit lebih rendah kerana peleraian penutup logam, saya menganggapnya sudah mencukupi.

Langkah 9: Penutup

Kandang, termasuk penghantaran, adalah bahagian paling mahal dari bekalan kuasa. Saya menemui model ini di ebay, dari Cheval, pengeluar Thay: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. Sebenarnya, penjual ebay itu berasal dari Thailand.

Kotak ini mempunyai nilai wang yang sangat baik dan dibungkus dengan kemas.

Langkah 10: Mekanisasi Panel Depan

Pilihan terbaik untuk mekanisasi dan ukiran panel depan adalah menggunakan penghala seperti ini https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k… atau membuat penutup plastik khusus dengan PONOKO, misalnya. Tetapi kerana saya tidak mempunyai penghala dan saya tidak mahu menghabiskan banyak wang, saya memutuskan untuk membuatnya dengan cara lama: Memotong, memangkas dengan fail dan menggunakan huruf pindah untuk teks.

Saya telah melampirkan fail Inkscape dengan stensil: frontPanel.svg.

• Potong stensil.
• Tutup panel dengan pita pelukis.
• Lekatkan stensil ke pita pelukis. Saya telah menggunakan gam gam.
• Tandakan kedudukan latih tubi.
• Lubang gerudi untuk membolehkan gergaji fret atau pisau gergaji masuk ke luka dalaman.
• Potong semua bentuk.
• Potong dengan Fail. Sekiranya lubang bulat untuk potensiometer dan tiang pengikat, tidak perlu menggunakan gergaji sebelum memfailkan. Sekiranya lubang paparan pemangkasan fail mestilah sebaik mungkin kerana bahagian tepi ini dapat dilihat.
• Tanggalkan stensil dan pita pelukis.
• Tandakan kedudukan teks dengan pensil.
• Pindahkan surat.
• Tanggalkan tanda pensel dengan pemadam.

Langkah 11: Mekanisasi Pannel Belakang

• Tandakan kedudukan heatsink, termasuk lubang untuk transistor kuasa dan kedudukan skru penahan.
• Tandakan lubang untuk mengakses sinki udara dari bahagian dalam penutup bekalan kuasa, saya telah menggunakan penebat sebagai rujukan.
• Tandakan lubang untuk penyambung IEC.
• Gerudi kontur bentuk.
• Bor lubang untuk skru.
• Potong bentuk dengan tang pemotong.
• Potong bentuk dengan fail.

Langkah 12: Memasang Panel Depan

• Tanggalkan kabel multikonduktor dari sekerap untuk mendapatkan kabel.
• Bina pemasangan LCD yang menyolder I2C ke antara muka selari.
• Bina "penyambung molex", pemasangan wayar dan tiub yang boleh dikecilkan untuk: potensiometer, butang tekan dan LCD. Keluarkan sebarang penonjolan dalam potensiometer.
• Tanggalkan cincin penunjuk tombol.
• Potong batang potensiometer dengan ukuran kenop. Saya telah menggunakan sekeping kadbod sebagai alat pengukur.
• Pasang butang tekan dan butang kuasa.
• Pasang potensiometer dan pasang kenop, potensiometer multiturn yang saya beli mempunyai poros ¼ inci dan model satu putaran mempunyai poros 6mm. Saya telah menggunakan mesin basuh sebagai spacer untuk mengurangkan jarak potensiometer.
• Skru tiang pengikat.
• Masukkan pita dua sisi ke dalam LCD dan lekatkan pada panel.
• Selesaikan wayar positif dan negatif ke tiang pengikat.
• Pasang lug terminal GND di tiang pengikat hijau.

Langkah 13: Memasang Panel Belakang

• Skru heatsink ke panel belakang, walaupun cat adalah isolator termal, saya telah meletakkan minyak heatsink untuk meningkatkan pemindahan haba dari pendingin ke penutup.
• Pasang penyambung IEC.
• Posisikan spacer pelekat menggunakan litar kit bekalan kuasa.
• Skru transistor kuasa dan penebat, mesti ada gris terma di setiap permukaan.
• Pasang 7812 untuk menghidupkan arduino, ia menghadap casing untuk membenarkan pelesapan haba, menggunakan salah satu skru yang menahan heatsink. Saya semestinya menggunakan mesin basuh plastik seperti ini https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Transistor-… tetapi saya akhirnya menggunakan penebat yang sama dengan transistor kuasa dan sekeping casing yang bengkok.
• Kabel transistor kuasa dan 7812 ke litar bekalan kuasa.

Langkah 14: Perhimpunan Akhir dan Pendawaian

• Tandakan dan gerudi lubang untuk pengubah.
• Pasang pengubah.
• Lekatkan kaki pelekat penutup.
• Lekatkan litar meter DC menggunakan spacer pelekat.
• Mengikis cat untuk mengacaukan lug GND.
• Bina unit wayar voltan utama, semua penamatannya adalah Faston 3/16”. Saya telah menggunakan tiub yang boleh dikecilkan untuk mengasingkan penamatan.
• Potong bahagian depan pemegang penutup di sebelah kanan untuk mendapatkan ruang untuk butang kuasa.
• Sambungkan semua wayar mengikut panduan pemasangan.
• Pasang Fius (1A).
• Letakkan potensiometer voltan keluaran (potensiometer VO), ke CCW minimum dan atur voltan keluaran yang paling hampir dengan sifar volt menggunakan potensiometer pelarasan halus multiturn litar bekalan kuasa vkmaker.
• Pasang kandang.

Langkah 15: Penambahbaikan dan Kerja Lebih Lanjut

Penambahbaikan

• Gunakan mesin basuh gaya penanam untuk mengelakkan skru terlepas dengan getaran, terutamanya getaran dari pengubah.
• Warnakan panel depan dengan varnis lutsinar untuk mengelakkan huruf terhapus.

Kerja selanjutnya:

• Tambahkan penyambung usb seperti ini: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… di panel belakang. Berguna untuk meningkatkan kod tanpa pembongkaran atau untuk membuat ATE kecil yang mengawal fungsi On Off, mendapatkan status dan mengukur menggunakan PC.
• Buat kompilasi kod LCD 2x16.
• Buat litar bekalan kuasa baru, bukannya menggunakan kit vkmaker, dengan kawalan digital voltan dan arus keluaran.
• Lakukan ujian yang mencukupi untuk mencirikan bekalan kuasa.

Hadiah Pertama dalam Peraduan Bekalan Kuasa