Elektronika dla Wszystkich

Do czego to s³u¿y?

Prezentowany zasilacz charakteryzuje siê du¿¹

funkcjonalnoœci¹, ma regulowane napiêcie

wyjœciowe w zakresie od 0V do 25,5 V z kro-

kiem 10mV, jak równie¿ regulowane ograni-

czenie pr¹dowe od 10mV do 2,55A z krokiem

10mA. Wszystkie regulacje dokonywane s¹ na

drodze analogowej za pomoc¹ potencjomet-

rów. Dla wszystkich mi³oœników techniki mik-

roprocesorowej przewidziano mo¿liwoœæ

do³¹czenia do zasilacza dodatkowego modu³u

steruj¹cego, który umo¿liwia cyfrowe usta-

wianie napiêcia wyjœciowego, jak równie¿

pomiar tego napiêcia i pr¹du. Funkcjê takiego

modu³u mo¿e pe³niæ np. p³ytka testowa

AVT3500 z mikrokontrolerem AT90S2313

i przetwornikiem PCF8591 – dla niej te¿

zosta³ napisany program steruj¹cy wy¿ej

wymienionymi funkcjami.

Jak to dzia³a?

Schemat ideowy zasilacza przedstawiony

zosta³ na rysunku 1. Na pierwszy rzut oka

mo¿e wydawaæ siê on skomplikowany, ale

tylko z pozoru. Zosta³ zbudowany na popu-

larnych i ³atwo dostêpnych elementach,

a co najwa¿niejsze i tanich. Analizê uk³adu

53

Rys. 1 Schemat ideowy

ZZ

ZZ

aa

aa

ss

ss

ii

ii

ll

ll

aa

aa

cc

cc

zz

zz

„„

„„

m

m

m

m

ii

ii

kk

kk

rr

rr

oo

oo

pp

pp

rr

rr

oo

oo

cc

cc

ee

ee

ss

ss

oo

oo

rr

rr

oo

oo

w

w

w

w

yy

yy

””

””

00

00

--

--

22

22

55

55

,,

,,

55

55

VV

VV

00

00

--

--

22

22

,,

,,

55

55

55

55

AA

AA

22

22

77

77

55

55

77

77

0

0

0

0

0

0

rozpoczniemy od zasady dzia³ania zasilacza

jako modu³u samodzielnego, bez do³¹czonego

sterownika mikroprocesorowego.

Ca³y uk³ad zasilany jest z transformatora

z podwójnym uzwojeniem wtórnym 2*12V, za

poœrednictwem mostka prostowniczego B1.

Kondensator C1 filtruje napiêcie wyjœciowe

i powinien mieæ du¿¹ pojemnoœæ dla zminima-

lizowania têtnieñ na wyjœciu zasilacza podczas

pobierania du¿ych pr¹dów. Kondensator C2

zwiera do masy ewentualne krótkie przepiêcia

z sieci energetycznej.

Elementem pe³ni¹cym rolê regulatora

napiêcia jest wzmacniacz U1A (LM358) pra-

cuj¹cy w konfiguracji wzmacniacza nieodwra-

caj¹cego o wzmocnieniu ustalonym przez

dzielnik napiêcia R10, R13. Dla uzyskania

zadowalaj¹cej dok³adnoœci regulacji napiêcia

wyjœciowego nale¿y zastosowaæ rezystory,

najlepiej metalizowane o tolerancji 1%, tak

aby wzmocnienie wzmacniacza by³o równe

dok³adnie 10 razy. Zasada regulacji napiêcia

jest bardzo prosta. Wzmacniacz ten steruje

wyjœciowym tranzystorem mocy T5, a na wej-

œcie nieodwracaj¹ce wzmacniacza podawane

jest napiêcie regulowane z potencjometru P3

w zakresie od 0 do 2,55V. Przy wzmocnieniu

wzmacniacza ustalonym na 10, na emiterze

tranzystora otrzymujemy napiêcie w zakresie

od 0 do 25,5V. Aby uzyskaæ szeroki zakres

napiêæ wyjœciowych wzmacniacza, musia³ on

byæ zasilony napiêciem bezpoœrednio z wyj-

œcia mostka prostowniczego B1. Nale¿y zwró-

ciæ jeszcze uwagê na sposób w³¹czenia dziel-

nika napiêcia R10, R13. Otó¿ zosta³ on

umieszczony za rezystorem R16, który s³u¿y

do pomiaru pr¹du. Gdyby dzielnik pod³¹czony

by³ bezpoœrednio do masy uk³adu, to napiêcie

wyjœciowe ró¿ni³oby siê od napiêcia ustawio-

nego o spadek napiêcia na rezystorze pomiaro-

wym. Przy maksymalnym poborze pr¹du

z zasilacza (2,55A) ró¿nica ta wynosi³aby

oko³o 255mV.

Dla zminimalizowania strat w tranzystorze

wyjœciowym T5 podczas pobierania du¿ego

pr¹du z zasilacza przy ma³ych napiêciach wyj-

œciowych zastosowano transformator z po-

dwójnym uzwojeniem wtórnym 12V, którego

uzwojenia prze³¹czane s¹ za pomoc¹ przekaŸ-

nika PK1. Przy napiêciach wyjœciowych

mniejszych od 12V zasilacz korzysta z jedne-

go uzwojenia, natomiast przy wiêkszych

napiêciach przekaŸnik za³¹cza drugie uzwoje-

nie transformatora. PrzekaŸnik sterowany jest

za pomoc¹ wzmacniacza U3A. Próg za³¹cza-

nia regulowany jest potencjometrem P1. Za

jego pomoc¹ podawane jest napiêcie 1,2V na

wejœcie odwracaj¹ce wzmacniacza. Na drugie

wejœcie podawane jest napiêcie z dzielnika

wyjœciowego, które jest 10 razy mniejsze od

napiêcia wyjœciowego zasilacza. Tak wiêc po

przekroczeniu napiêcia wyjœciowego 12V na

dzielniku napiêcia napiêcie wzroœnie powy¿ej

1,2V i tym samym nast¹pi za³¹czenie przekaŸ-

nika. Dioda D1 chroni uk³ad przed ewentual-

nymi przepiêciami podczas prze³¹czania prze-

kaŸnika. Dla wyeliminowania drgañ styków

przekaŸnika podczas regulacji napiêcia wyj-

œciowego zastosowano rezystor R21 w³¹czony

miêdzy wyjœcie wzmacniacza a jego wejœcie

nieodwracaj¹ce, wprowadzaj¹c tym samym

niewielk¹ histerezê. Rezystor ten ma du¿¹

wartoœæ (6,2M), aby napiêcie wyjœciowe

wzmacniacza U3A mia³o znikomy wp³yw na

napiêcie podawane na regulator napiêcia, a

tym samym nie powodowa³o skoków napiêcia

wyjœciowego o kilkadziesi¹t miliwoltów pod-

czas prze³¹czania przekaŸnika.

Nastêpnym blokiem zasilacza jest uk³ad

pomiaru pr¹du i uk³ad ograniczenia pr¹dowe-

go. Zrealizowany on zosta³ na tych samych

wzmacniaczach co poprzednie bloki, czyli

LM358. Wa¿n¹ cech¹ tego wzmacniacza jest

to, i¿ mo¿e on pracowaæ z napiêciami wyjœcio-

wymi bliskimi poziomu masy i odpowiednio

wzmocniæ napiêcie z rezystora pomiarowego.

Spadek napiêcia na rezystorze R16 jest pro-

porcjonalny do pobieranego pr¹du. Przy pr¹-

dzie 10mA spadek napiêcia bêdzie wynosi³

1mA, a przy pr¹dzie 2,55A odpowiednio

255mV. Napiêcie z tego rezystora zostaje

wzmocnione 10 razy przez wzmacniacz

odwracaj¹cy U2B i podane zarówno na wej-

œcie modu³u mikroprocesorowego jak równie¿

na wejœcie nieodwracaj¹ce komparatora U2A.

Komparator porównuje podane napiêcie z na-

piêciem wzorcowym ustalanym potencjomet-

rem P2. Napiêcie wzorcowe pobierane jest ze

Ÿród³a napiêcia odniesienia wytwarzanego

przez uk³ad TL431. Je¿eli napiêcie na wyjœciu

wzmacniacza U2B wzroœnie powy¿ej ustalo-

nego progu, wówczas na wyjœciu komparatora

pojawi siê napiêcie bliskie napiêciu 12V, co

spowoduje wysterowanie tranzystora T2. Ten

z kolei przejmie czêœæ pr¹du bazy tranzystora

mocy T5, ograniczaj¹c p³yn¹cy pr¹d do war-

toœci ustalonej potencjometrem P2. Podczas

zadzia³ania ograniczenia pr¹dowego uk³ad

traci swoje w³aœciwoœci stabilizacyjne i jest

podatny na wzbudzenia. Przed tego typu zja-

wiskiem chroni¹ kondensatory w³¹czone miê-

dzy bazy tranzystorów T2 i T5 do masy.

W chwili zadzia³ania ograniczenia pr¹dowego

komparator steruje równie¿ tranzystorem T4,

który w³¹cza diodê LED, sygnalizuj¹c zadzia-

³anie uk³adu ograniczenia pr¹dowego.

Zasilacz wyposa¿ony zosta³ równie¿

w wentylator ch³odz¹cy radiator, na którym

umieszczony jest tranzystor mocy. Dziêki

wymuszonemu ch³odzeniu mo¿liwe jest

zmniejszenie rozmiarów radiatora. Sterowa-

niem wentylatora zajmuje siê komparator zbu-

dowany na uk³adzie U3B. Na jego wejœcie

nieodwracaj¹ce podawane jest napiêcie

z dzielnika napiêcia utworzonego przez rezys-

tor R19 i termistor R17. Natomiast na wejœcie

odwracaj¹ce komparatora podane jest napiêcie

z potencjometru P4, za pomoc¹ którego usta-

lana jest temperatura zadzia³ania wentylatora.

Wraz z jej wzrostem rezystancja termistora

maleje, powoduj¹c zwiêkszanie siê napiêcia

na wejœciu komparatora. Po przekroczeniu

zadanego progu nastêpuje za³¹czenie wentyla-

tora. Aby nie w³¹cza³ siê on i wy³¹cza³ w krót-

kich odstêpach czasu, wprowadzono histerezê,

w³¹czaj¹c rezystor miêdzy wyjœcie a wejœcie

nieodwracaj¹ce komparatora.

Do omówienia zosta³ jeszcze blok zasila-

cza pomocniczego. Jest on równie¿ niezbêdny

do prawid³owego funkcjonowania zasilacza,

gdy¿ wytwarza napiêcie +12V zasilaj¹ce

wzmacniacze operacyjne oprócz wzmacniacza

U1A. Jest to klasyczny zasilacz, dostarczaj¹cy

napiêæ +12V i +5V, w którym zastosowano

popularne stabilizatory z rodziny 78xx. Napiê-

cie +5V zosta³o przewidziane do zasilania

modu³ów pomiarowych, w które mo¿na

wyposa¿yæ zasilacz, je¿eli bêdzie pracowa³

jako jednostka samodzielna – bez modu³u ste-

ruj¹cego. Napiêcie to mo¿na równie¿ wyko-

rzystaæ do zasilania p³ytki testowej, je¿eli

zostanie ona wykorzystana do sterowania zasi-

laczem.

Nale¿y jeszcze wspomnieæ o sposobie ste-

rownia zasilaczem za pomoc¹ mikrokontrole-

ra i uk³adu PCF8591. W momencie do³¹czenia

tego modu³u do zasilacza, przejmuje on stero-

wanie napiêciem wyjœciowym, które ustawia-

ne jest za pomoc¹ dwóch przycisków. Napiê-

cie +5V podane z p³ytki testowej AVT3500

za³¹czy przekaŸnik PK2, co spowoduje, i¿

napiêcie reguluj¹ce bêdzie podawane nie z

potencjometru P2, ale z wejœcia Vref, które

do³¹czone jest do przetwornika C/A zawarte-

go w strukturze PCF8591. Wyjœcie Iout s³u¿y

do pomiaru pr¹du, a wyjœcie Vout do pomiaru

napiêcia wyjœciowego. Pomiar napiêcia doko-

nywany jest na dzielniku napiêcia R10, R13,

na którym napiêcie jest 10 razy mniejsze od

napiêcia na wyjœciu zasilacza. Idealnie nadaje

siê ono do pomiaru, zwa¿ywszy, ¿e bêdzie

mierzone bezpoœrednio napiêcie wyjœciowe,

a nie napiêcie podawane przez PCF8591. Pro-

gram zosta³ napisany tak, ¿e wyniki pomiaru

wyœwietlane s¹ na czterocyfrowym wyœwiet-

laczu LED. U¿ytkownik mo¿e sobie wybraæ

mierzon¹ wielkoœæ wyœwietlan¹ na wyœwietla-

czu za pomoc¹ mikrostyku do³¹czonego miê-

dzy koñcówkê PD.2 mikrokontrolera a masê.

Monta¿ i uruchomienie

Uk³ad nale¿y zmontowaæ na p³ytce dwustron-

nej z metalizacj¹ otworów, przedstawionej na

rysunku 2. Nale¿y przy tym zachowaæ pod-

stawowe zasady monta¿u, tzn. rozpocz¹æ od

wlutowania najmniejszych elementów, a koñ-

cz¹c na tych najwiêkszych. Przy monta¿u trze-

ba zwróciæ baczn¹ uwagê na prawid³owe po³o-

¿enie poszczególnych elementów, gdy¿ póŸ-

niejsze ich wylutowanie z p³ytki dwustronnej

mniej doœwiadczonym elektronikom mo¿e

sprawiaæ pewne k³opoty.

Do regulacji napiêcia wykorzystywany jest

helitrim 10kΩ. Zamiast niego mo¿na wyko-

rzystaæ potencjometr obrotowy albo lepiej

54

Elektronika dla Wszystkich

precyzyjny potencjometr dziesiêcioobrotowy,

co zwiêkszy precyzjê ustawiania napiêcia wyj-

œciowego i wygodê u¿ytkowania. Czytelnicy,

którzy zechc¹ wykorzystaæ sterownik mikrop-

rocesorowy, musz¹ przylutowaæ kawa³ki prze-

wodów do punktów oznaczonych odpowied-

nio: GND, +5V, Vout, Vref, Iout.

Na samym koñcu przystêpujemy do mon-

ta¿u tranzystora mocy. Najpierw nale¿y przy-

krêciæ go do radiatora, nie zapominaj¹c o po-

smarowaniu tranzystora past¹ u³atwiaj¹c¹

odprowadzanie ciep³a. Nastêpnie przykrêca-

my do radiatora wentylator, a sam radiator do

p³ytki, u¿ywaj¹c przy tym tulejek dystanso-

wych miêdzy p³ytk¹ a radiatorem. Po tej czyn-

noœci mo¿na przyst¹piæ do wlutowania tran-

zystora i pod³¹czenia przewodów wentylatora

do punktów oznaczonych jako M1, zachowu-

j¹c odpowiedni¹ polaryzacjê zasilania wenty-

latora. Teraz mo¿na przyst¹piæ do umocowa-

nia termistora na radiatorze. Najlepszym roz-

wi¹zaniem bêdzie przyklejenie go za pomoc¹

kleju dwusk³adnikowego w pobli¿u tranzysto-

ra mocy. Pozosta³o jeszcze przykrêciæ niewiel-

ki radiator w postaci blachy aluminiowej o gru-

boœci oko³o 5mm do stabilizatorów napiêcia.

Po poprawnym zmontowaniu uk³adu i pod-

³¹czeniu transformatora TST 2*12V/150W do

z³¹cz Z1, Z3 i transformatora TS18/16 do z³¹-

cza Z2 mo¿na przyst¹piæ do uruchamiania

zasilacza. W pierwszej kolejnoœci nale¿y usta-

wiæ za pomoc¹ potencjometru P5 napiêcie

odniesienia w punkcie oznaczonym liter¹ „U”

o wartoœci 2,55V. Nastêpnie potencjometrem

P1 ustawiamy napiêcie 1,2V na nó¿ce 2 uk³a-

du U3. W dalszej kolejnoœci przystêpujemy do

sprawdzania zakresu napiêæ wyjœciowych

zasilacza i poprawnoœci dzia³ania przekaŸnika

za³¹czaj¹cego uzwojenia wtórne transformato-

ra. Do³¹czamy woltomierz do wyjœcia zasila-

cza i reguluj¹c napiêcie za pomoc¹ potencjo-

metru P3 sprawdzamy, czy zakres napiêæ

mieœci siê w przedziale od 0 do 25,5V. Po

przekroczeniu napiêcia oko³o 12V powinno

byæ s³yszalne zadzia³anie przekaŸnika. Je¿eli

przekaŸnik nie bêdzie pracowa³ prawid³owo,

nie bêdzie mo¿liwe uzyskanie napiêæ do

25,5V na wyjœciu.

Do regulacji pozosta³ próg zadzia³ania

wentylatora. Do³¹czaj¹c do zasilacza niewiel-

kie obci¹¿enie, np. ¿arówkê 12V/5W, tak aby

radiator nie nagrzewa³ siê zbyt szybko, nale¿y

mierzyæ temperaturê radiatora za pomoc¹ ter-

mometru lub na dotyk i potencjometrem P4

doprowadziæ do za³¹czenia wentylatora najle-

piej przy temperaturze ok. 50-60 stopni.

Nale¿y sprawdziæ jeszcze ograniczenie

pr¹dowe. W tym celu do³¹czamy w szereg

z ¿arówk¹ amperomierz i obserwujemy jego

wskazania, reguluj¹c wartoœæ ograniczenia

pr¹dowego potencjometrem P2. W chwili

zadzia³ania ograniczenia powinna zaœwieciæ

siê dioda LED, a przy skrajnym po³o¿eniu

suwaka potencjometru p³yn¹cy pr¹d nie powi-

nien byæ wiêkszy jak 10mA. Dysponuj¹c dru-

gim multimetrem mo¿na sprawdziæ wartoœæ

mierzonego pr¹du z rzeczywistym jego pobo-

rem. Mo¿na wówczas porównaæ wskazania

amperomierza z napiêciem na koñcówce 7

uk³adu U2. Przy przep³ywie pr¹du 400mA

przez obci¹¿enie wartoœæ tego napiêcia powin-

na wynosiæ 0,4V. Pomiaru mo¿na dokonaæ dla

ró¿nych wartoœci p³yn¹cego pr¹du. Na p³ytce

przewidziano tak¿e miejsce na pod³¹czenie

dodatkowych modu³ów pomiarowych.

Jeœli wszystko przebieg³o zgodnie z ocze-

kiwaniami, przystêpujemy teraz do pod³¹cze-

nia zasilacza do p³ytki testowej AVT3500.

Sposób pod³¹czenia przedstawiony jest na

rysunku 3. Do p³ytki testowej nale¿y jeszcze

do³¹czyæ dodatkowy mikrostyk miêdzy koñ-

cówkê PD.2 mikrokontrolera a masê. Wystar-

czy teraz zaprogramowaæ mikrokontroler

(program do³¹czony jest do zasilacza) i spraw-

dziæ poprawnoœæ jego dzia³ania. Przyciskiem

S1 zwiêkszamy wartoœæ napiêcia wyjœciowe-

go, a przyciskiem S2 zmniejszamy. Dodatko-

wy przycisk s³u¿y do wybierania wartoœci

wyœwietlanej napiêcia lub pr¹du.

Mariusz Nowak

[e-mail]

55

Elektronika dla Wszystkich

Wykaz elementów

RReezzyyssttoorryy
R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300Ω

R2,R3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,2kΩ

R4-R9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10kΩ

R10,R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1kΩ/1%

R11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1kΩ

R13,R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9,1kΩ/1%

R15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Ω

R16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,1Ω/3W

R17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . termistor 22kΩ

R18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560Ω

R19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5,6kΩ

R20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510kΩ

P1,P3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10kΩ helitrim

P2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10kΩ/A

P4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10kΩ monta¿owy

P5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1kΩ helitrim

KKoonnddeennssaattoorryy
C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4700µF/40V

C2-C5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100nF MKT

C6,C7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10nF MKT

C8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100µF/35V

C9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000µF/25V

C10,C11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220µF/25V

PPóó³³pprrzzeewwooddnniikkii
U1-U3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LM358

U4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7812

U5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TL431

U6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7805

D1,D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1N4148

D3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LED 3mm

T1-T4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BC337

T5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . BD911

B1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B50C4000

B2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B50C1500

RRóó¿¿nnee
TR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *TST 2*12V/150W

TR2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *TS18/16

PK1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RM-96-12V

PK2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . G5V1-5

M1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . wentylator 40x40mm

Z1-Z5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ARK2 5mm

Radiator od procesora PENTIUM
* elementy oznaczone gwiazdka nie wchodza w sklad zestawu

Rys. 2 Schemat monta¿owy

KKoom

mpplleett ppooddzzeessppoo³³óóww zz pp³³yyttkk¹¹ jjeesstt ddoossttêêppnnyy

ww ssiieeccii hhaannddlloowweejj AAVVTT jjaakkoo kkiitt sszzkkoollnnyy AAVVTT--22775577..

Rys. 3