Zasilacz warsztatowy (1)

We wspomnianej dyskusji od razu pojawiły się linki do znanego chińskiego portalu zakupowego, prowadzące do ofert zasilaczy o sporych napięciach i prądach wyjściowych, w ładnych obudowach, często z wyświetlaczami i to w bardzo umiarkowanych cenach. Przeciętny elektronik nie ma szans, żeby zmieścić się w takim budżecie. Z kilku powodów. Po pierwsze dlatego, że produkcja masowa jest wielokrotnie tańsza niż jednostkowa. Ceny elementów elektronicznych i mechanicznych kupowanych w detalu są dużo wyższe od cen, jakie może uzyskać duży producent. Po drugie, tanie produkty z Chin są upraszczane do granic możliwości, a jakość komponentów i wykonania może nie być zadowalająca. Można też tam dostać bardzo dobrej jakości produkty, w tym zasilacze, ale wtedy nie będą już tak tanie. Powraca stary dylemat: albo tanio, albo dobrze. Jest jeszcze jeden aspekt dotyczący zakupu i użytkowania zasilacza. Najczęściej te tanie konstrukcje są zasilaczami impulsowymi, w których łatwo jest uzyskać stosunkowo szerokie zakresy napięć i prądów wyjściowych. To chyba dobrze?

No... zależy, co chcemy zasilać. W większości przypadków taki zasilacz nie będzie się nadawał do pracy z układami analogowymi, w tym audio, bo ma zbyt wysoki poziom zakłóceń napięcia wyjściowego. Można oczywiście zasilać takie układy zasilaczami impulsowymi, ale wtedy będą musiały mieć specjalną konstrukcję i wysokiej jakości komponenty. Czyli... będą drogie. Wracamy do punktu wyjścia.

Wróćmy do już postawionego pytania: czy lepiej kupić, czy też zrobić zasilacz? Za kupnem może przemawiać niska cena i szeroki zakres napięć i prądów wyjściowych. A co przemawia za samodzielnym zaprojektowaniem i wykonaniem? Wbrew pozorom można znaleźć kilka argumentów. Dla wielu elektroników będzie to satysfakcja z wykonanego samodzielnie projektu. To bardzo ważny argument napędzający działania olbrzymiej społeczności DIY na całym świecie. Elektronika to bardzo pasjonujące hobby, gdzie w wielu przypadkach o wiele bardziej liczy się własnoręczne wykonanie urządzenia niż gotowy zakup. Drugi, bardzo istotny argument, to walor edukacyjny. Kupienie gotowego urządzenia niczego nas nie nauczy o zasadzie jego działania, problemach konstrukcyjnych i sposobach ich rozwiązywania. To bardzo ważne, jeżeli nie chcemy się stopniowo sprowadzić do biernych odbiorców gotowych urządzeń, urządzeń składanych z gotowych modułów czy zamkniętego softu.

Przedstawiony tutaj zasilacz jest również próbą oparcia się tym tendencjom.

Założenia konstrukcyjne

Z mojego doświadczenia wynika, że w znakomitej większości typowych zastosowań wystarczy regulowane napięcie wyjściowe od ok. +2 V do +24 V i wydajność prądowa maksymalnie do 1 A. Niezbędna jest możliwość sekwencyjnego włączania i wyłączania napięcia wyjściowego za pomocą przycisku. Pozwala to na błyskawiczne odłączenie układu zasilanego w sytuacjach awaryjnych. Urządzenie musi mieć funkcję nastawianego ograniczenia prądowego, jak już wspomniałem – w naszym przypadku do 1 A. Prawidłowo ustawione ograniczenie skutecznie zabezpiecza zasilany układ przed uszkodzeniem.

Zasilacz jest sterowany przez kontroler mikroprocesorowy, którego zadaniem jest m.in. ustawianie napięcia wyjściowego i wartości ograniczenia prądowego. Zmierzone wartości napięcia i prądu wyjściowego oraz wartość nastawionego ograniczenia są wyświetlane na niewielkim wyświetlaczu graficznym 1,8” o rozdzielczości 128×160 pikseli. Interfejs użytkownika został uzupełniony przez elementy manipulacyjne: dwa enkodery obrotowe do ustawiania napięcia wyjściowego i ograniczenia prądowego oraz wspomniany już przycisk do włączania/wyłączania napięcia wyjściowego. Wszystkie nastawy, czyli napięcie wyjściowe i wartość ograniczenia prądowego, są zapisywane w pamięci EEPROM i – po włączeniu zasilania – odtwarzane.

Układ zasilacza – sekcja analogowa

Schemat sekcji analogowej układu zasilacza został pokazany na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat analogowej części zasilacza

Tę część układu można podzielić funkcjonalnie na kilka bloków:

• źródło napięcia stałego zbudowane z transformatora sieciowego, mostka prostowniczego i głównego kondensatora filtrującego,
• źródło napięcia +40 V do polaryzacji bramki szeregowego tranzystora wykonawczego, zrealizowane w postaci powielacza napięcia i prostego stabilizatora parametrycznego z diodą Zenera,
• układ regulacji i stabilizacji napięcia wyjściowego z dzielnikiem napięcia wyjściowego, wzmacniaczem błędu i układami wykonawczymi,
• układ pomiaru napięcia wyjściowego,
• układ pomiaru prądu wyjściowego,
• układ ograniczenia prądowego.

Na rysunku 2 pokazano fragment schematu stanowiący źródło napięcia stałego. Transformator sieciowy ma nominalne napięcie wyjściowe o wartości +24 V AC przy obciążeniu 1 A. To napięcie jest podawane przez 1-amperowy bezpiecznik F1 na mostek prostowniczy o parametrach 100 V/15 A. Główny kondensator filtrujący C8 ma pojemność 10000 μF/50 V.

Rysunek 2. Źródło napięcia stałego

Układ polaryzacji bramki tranzystora szeregowego

W zasilaczu zastosowano szeregowy tranzystor MOSFET z kanałem typu N. Aby mógł przewodzić prąd, jego bramka musi mieć potencjał wyższy niż napięcie źródła. Minimalne napięcie bramki musi być wyższe o 3 V, a różnica ta rośnie wraz ze wzrostem przewodzonego prądu. Ponieważ węzeł głównego napięcia zasilania znajduje się na dodatnim wyprowadzeniu kondensatora C8, to musimy zapewnić dodatkowe napięcie polaryzacji, wyższe od tego na wspomnianym kondensatorze. Do tego celu zastosowano układ powielacza napięcia ze stabilizacją parametryczną zrealizowaną w oparciu o diodę Zenera o napięciu 40 V – patrz rysunek 3.

Rysunek 3. Układ polaryzacji bramki z powielaczem napięcia

Układ powielacza jest zbudowany z diod D2, D3 i kondensatora C9. Szeregowo połączone kondensatory C10 i C16 filtrują napięcie wyjściowe z powielacza. Pojemność filtrująca powinna mieć wartość 47 μF/63 V. Ja zastosowałem 2 kondensatory 100 μF/35 V połączone szeregowo. Wypadkowa oporność równolegle połączonych rezystorów R23 i R17 stanowi rezystancję szeregową dla stabilizatora z diodą Zenera o napięciu 40 V (diody D5 i D7 o napięciu 21 V każda). To napięcie +40 V (UPOW) jest następnie podawane przez wypadkową rezystancję rezystorów R24 i R18 na bramkę tranzystora Q1. Ponieważ zastosowałem rezystory SMD w obudowach 1206 o mocy 0,25 W, to połączenia równoległe mają na celu zwiększenie limitu sumarycznej mocy rezystorów: szeregowych stabilizatora i tych podających napięcie +40 V na bramkę Q1.

Układ regulacji i stabilizacji napięcia wyjściowego

Uproszczony schemat układu regulacji i stabilizacji napięcia wyjściowego pokazano na rysunku 4. Zostały tu na razie pominięte obwody pomiaru prądu i ograniczenia prądowego. Wartość napięcia wyjściowego zasilacza jest ustawiana przez podawanie napięcia stałego U_SET z zakresu 0…+3,3 V ze sterownika zasilacza (z wyjścia przetwornika DAC) na wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego U1B, pełniącego rolę wzmacniacza błędu. Na wejście nieodwracające U1B jest podane napięcie wyjściowe U_CTRL podzielone w dzielniku zbudowanym z rezystorów R6, R7 i RV3. Napięcie U_CTRL powinno być tak dobrane, żeby przy napięciu wyjściowym +24 V U_CTRL miało wartość ok. +3,3 V. Jego dokładną wartość ustala się potencjometrem RV3 w trakcie regulacji zasilacza.

Rysunek 4. Układ regulacji i stabilizacji napięcia wyjściowego

Układ regulacji i stabilizacji napięcia wyjściowego działa w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Wzmacniacz błędu porównuje napięcia U_Set i U_CTRL (wzmacnia różnicę pomiędzy nimi), a następnie ustawia odpowiednie napięcie na wyjściu sterujące tranzystorem Q2 i – pośrednio – tranzystorem Q1. Tranzystor Q1 ustawia napięcie na wyjściu zasilacza tak, by po jego podzieleniu wartość U_CTRL była dokładnie równa napięciu U_Set. Jeżeli U_CTRL jest większe od U_Set, to na wyjściu wzmacniacza błędu rośnie napięcie i tranzystor Q2 zaczyna mocniej przewodzić, co powoduje obniżenie potencjału bramki tranzystora Q1. Napięcie na wyjściu zasilacza spada i tym samym spada napięcie U_CTRL, dążąc do równowagi U_CTRL = U_Set. Odwrotna sytuacja ma miejsce, gdy U_CTRL jest mniejsze od U_Set – na wyjściu wzmacniacza błędu napięcie spada, tranzystor Q2 przewodzi słabiej i w efekcie napięcie na bramce Q1 wzrasta, co powoduje zwiększenie napięcia na wyjściu zasilacza.

Pętla regulacji działa ciągle i koryguje spadki napięcia na wejściu (napięcie UW) spowodowane wahaniami napięcia sieciowego i zmianami prądu obciążenia. Jak wiadomo, taki układ pozwala na łatwą regulację napięcia wyjściowego przez ustawianie napięcia sterującego U_Set.

W pętli ujemnego sprzężenia wzmacniacza błędu, równolegle do rezystora R12, połączony jest kondensator C7 o wartości 100 nF. Jego zadaniem jest zmniejszenie wzmocnienia wzmacniacza błędu dla wyższych częstotliwości i tym samym poprawa odporności na wzbudzenie układu na wyższych częstotliwościach.

Układ pomiaru napięcia wyjściowego

Dzielnik z rezystorów R8, R9 i RV2 jest przeznaczony do pomiaru napięcia wyjściowego. Napięcie U_Meter jest podawane na wejście przetwornika analogowo-cyfrowego wbudowanego w mikrokontroler sterownika zasilacza. Napięcie na wyjściu dzielnika powinno mieć wartość około +3,3 V przy napięciu wyjściowym +24 V. Dokładna regulacja wieloobrotowym potencjometrem RV2 pozwala na wykalibrowanie układu w celu uzyskania odpowiedniej dokładności pomiarów.

Układ pomiaru prądu wyjściowego

Pomiar prądu jest technicznie trudniejszy niż pomiar napięcia. Stosuje się tutaj metodę techniczną polegającą na pomiarze spadku napięcia na rezystorze włączonym szeregowo z wyjściem zasilacza. Z jednej strony ten rezystor powinien mieć jak najmniejszą wartość, żeby w jak najmniejszym stopniu zaburzać pracę zasilacza. Spadek napięcia na tym rezystorze odejmuje się bowiem od napięcia wyjściowego i jest zależny od prądu wyjściowego zasilacza. Jednak im mniejszy spadek, tym także trudniej jest go zmierzyć. Na przykład dla szeregowego rezystora pomiarowego o – w sumie dość sporej – wartości 0,1 Ω przy prądzie wyjściowym 1 A mamy spadek napięcia 100 mV. W praktyce bez wzmocnienia tego napięcia nie jesteśmy w stanie go zmierzyć dokładnie, pamiętając, że te 100 mV to pełny zakres wielkości mierzonej. Żeby wykorzystać pełny zakres przetwornika analogowo-cyfrowego z napięciem referencyjnym +3,3 V, trzeba go wzmocnić 33 razy. Klasyczne układy wzmocnienia ze wzmacniaczem operacyjnym wymagają, żeby rezystor pomiarowy był połączony szeregowo w ujemnej gałęzi zasilania. Na rysunku 5 pokazano przykład takiego rozwiązania stosowany do pomiaru prądu w układach niektórych zasilaczy.

Rysunek 5. Przykład układu pomiaru prądu w ujemnej gałęzi zasilacza

W pewnych aplikacjach to nie jest optymalne rozwiązanie i lepiej, gdyby ujemny biegun zasilacza (często połączony z masą zasilanego obwodu) nie miał szeregowo włączonego rezystora.

W naszym układzie zastosujemy zatem specjalizowany układ konwertera prąd-napięcie, działający również na zasadzie pomiaru spadku napięcia na szeregowym rezystorze pomiarowym. Ten układ to INA250 (rysunek 6) produkowany przez firmę Texas Instruments i należący do rodziny wzmacniaczy z wyjściem napięciowym i wewnętrznym rezystorem bocznikowym, umożliwiającym pomiary prądu. Zintegrowanie precyzyjnego rezystora pomiarowego zapewnia dokładność pomiaru równą dokładności kalibracji, a także charakteryzuje się bardzo niskim dryfem temperaturowym i gwarantuje optymalne umieszczenie rezystora pomiarowego w strukturze układu. Rodzina INA250 jest dostępna w czterech wersjach różniących się skalowaniem napięcia wyjściowego: 200 mV/A, 500 mV/A, 800 mV/A i 2 V/A.

Rysunek 6. Schemat blokowy układu INA250

Rezystor pomiarowy może być włączony w obwód dodatniego napięcia o wartości od +2,7 V do +36 V.

Wbudowany bocznik został zaprojektowany jako rezystor 4-przewodowy (z tzw. połączeniem Kelvina) i ma wartość 2 mΩ z maksymalną tolerancją 0,1%. Może przewodzić stały prąd o wartości do 10 A. Wyprowadzenia IN+ oraz IN– są przeznaczone do podłączenia do obwodu prądowego. Na wyprowadzeniach SH+ i SH– jest dostępny spadek napięcia na rezystorze pomiarowym. SH+ należy podłączyć do wejścia wzmacniacza napięciowego VIN+, a SH– do wejścia VIN–. Dlaczego nie wykonano tego połączenia wewnątrz układu? Taka decyzja umożliwiła umieszczenie pomiędzy nimi obwodów redukujących zakłócenia wytwarzane na rezystorze pomiarowym. W najprostszym przypadku należy połączyć SH+ z VIN+ i SH– z VIN–. Typowa aplikacja została pokazana na rysunku 7.

Rysunek 7. Typowa aplikacja układu INA250

Na rysunku 8 pokazano natomiast aplikację z filtrami dolnoprzepustowymi ograniczającymi zakłócenia o wyższych częstotliwościach.

Rysunek 8. Aplikacja układu INA250 z dodatkowymi obwodami filtrów dolnoprzepustowych

Rezystory Rs nie powinny mieć rezystancji większej niż 10 Ω, żeby zachować dokładność pomiaru. W trakcie projektowania układu przewidziałem miejsce na elementy Rs i Cf, by wykorzystać je w przypadku problemów z pomiarem prądu.

Wzmacniacz INA250 można skonfigurować do pomiaru prądów płynących zarówno w jednym kierunku (od potencjału wyższego do masy), jak i w obu kierunkach. Jest to realizowane przez ustalenie napięcia referencyjnego przyłożonego do pinu odniesienia REF. Napięcie to ustala poziom wyjściowy odpowiadający zerowemu prądowi wejściowemu. W przypadku pracy jednokierunkowej, pin REF należy połączyć z masą, tak aby wraz ze wzrostem prądu sygnał wyjściowy również wzrastał, począwszy od potencjału zerowego. W naszym przypadku mierzymy tylko prądy jednokierunkowe.

Napięcie na wyjściu układu jest równe:

VOUT = (ILOAD·GAIN) + VREF

gdzie ILOAD to prąd płynący przez rezystor pomiarowy, GAIN to współczynnik skalowania, a VREF to wartość napięcia referencyjnego. W naszym układzie pomiaru prądu został zastosowany INA250 o współczynniku skalowania 800 mV/A. Dla prądu 1 A napięcie na wyjściu jest zatem równe 800 mV. Spadek napięcia na rezystorze pomiarowym 2 mΩ przy prądzie 1 A wyniesie 2 mV. Żeby uzyskać na wyjściu 800 mV, wzmacniacz układu INA250 musi go zatem wzmocnić 400 razy.

Napięcie 800 mV przy prądzie 1 A musimy następnie wzmocnić 4,125 razy – tak, aby na wejściu przetwornika analogowo-cyfrowego wystąpiło wtedy napięcie +3,3 V (pełny zakres pomiarowy).

Praktyczny układ pomiaru prądu w naszym zasilaczu został pokazany na rysunku 9.

Rysunek 9. Układ pomiaru prądu

Rezystor pomiarowy (bocznik) znajduje się bezpośrednio pomiędzy dodatnim potencjałem napięcia wyjściowego (występującym na drenie tranzystora szeregowego, połączonym z wejściami IN+ układu INA250), a wyprowadzeniem wyjściowym zasilacza (tak, jak na rysunku 7). W obwodzie wyjść SH i wejść VIN umieszczono filtr dolnoprzepustowy (por. rysunek 8). Rezystory R1 i R2 mają wartość 10 Ω, a kondensatory ceramiczne C1 i C2: 100 nF. Napięcie wyjściowe z wyprowadzenia OUT trafia na wejście wzmacniacza nieodwracającego, zbudowanego w oparciu o wzmacniacz operacyjny U1A. Wartość wzmocnienia jest ustalana przez sumę rezystancji R5 i RV1 oraz rezystancję R4. Wieloobrotowy potencjometr RV1 umożliwia dokładne ustawienie potrzebnego wzmocnienia. Na wyjściu wzmacniacza (I_Meter) przy prądzie 1 A powinniśmy otrzymać napięcie +3,3 V. Kondensator C6 ogranicza wzmocnienie w paśmie wyższych częstotliwości i zapobiega wzbudzaniu się układu wzmacniacza.

Układ ograniczenia prądowego

Obwód ograniczenia prądowego jest integralnie związany z układem pomiaru prądu i z pętlą regulacji i stabilizacji napięcia wyjściowego – rysunek 10. Układ ten modyfikuje pokazaną na rysunku 4 pętlę regulacji i stabilizacji napięcia wyjściowego. Progową wartość prądu określa napięcie I_set, podawane na wejście odwracające wzmacniacza błędu układu ograniczenia (U3A). Napięcie I_Set jest porównywane z napięciem I_Meter, pochodzącym z układu pomiaru prądu (rysunek 9) i reprezentującym wartość prądu obciążającego wyjście zasilacza. Jeżeli I_Meter jest mniejsze od I_Set, to na wyjściu U3A panuje niskie napięcie, które nie wpływa na układ regulacji napięcia, ponieważ pozostaje odcięte za pomocą diody D6 spolaryzowanej teraz zaporowo.

Rysunek 10. Układ ograniczenia prądowego

Jeżeli prąd obciążenia wzrośnie na tyle, że reprezentujące go napięcie I_Meter przewyższy I_Set, to na wyjściu U3A pojawi się wyższe napięcie i dioda D6 zostanie spolaryzowana w kierunku przewodzenia. Na bazie tranzystora Q2 pojawi się wyższy potencjał i tranzystor zacznie silniej przewodzić, ograniczając napięcie wyjściowe zasilacza. Wtedy spadnie prąd, a zarazem i napięcie I_Meter. Pętla regulacji ograniczenia prądowego wymusi takie napięcie na wyjściu zasilacza, żeby prąd wyjściowy był równy prądowi ustawionemu przez napięcie I_Set. Teraz układ ograniczenia prądowego przejmuje kontrolę nad regulacją napięcia, obniżając je do odpowiedniej wartości.

Mamy zatem kompletny układ z pętlami regulacji napięcia i regulacji ograniczenia prądowego oraz pomiarami napięcia wyjściowego i prądu wyjściowego zasilacza. Pomiar napięcia i prądu odbywa się przez odpowiadające tym wielkościom napięcia z zakresu 0…+3,3 V, mierzone przez przetworniki analogowo-cyfrowe sterownika. Ustawianie napięcia wyjściowego i ograniczenia prądowego jest realizowane poprzez napięcia z zakresu 0…+3,3 V przez przetworniki cyfrowo-analogowe sterownika zasilacza.

Układy dodatkowe sekcji analogowej zasilacza

Na płytce sekcji analogowej jest umieszczony układ stabilizatora napięcia +12 V zbudowany w oparciu o układ LM317 (rysunek 11). Na jego wejście (UW) podane jest napięcie o wartości ok. +35 V, pobierane bezpośrednio z głównego kondensatora C8. Napięcie +12 V zasila wzmacniacze operacyjne układów regulacji oraz – przez stabilizator pośredni +5 V i stabilizator +3,3 V – układy sterownika mikrokontrolera. Maksymalne napięcie wejściowe LM317 wynosi +40 V, więc w tym układzie może on pracować bez problemu. Wymagane jest natomiast zastosowanie odpowiedniego radiatora, bo bez niego układ mocno się grzeje przy tak dużym spadku napięcia i dość wysokim prądzie, pobieranym głównie przez podświetlanie wyświetlacza TFT.

Rysunek 11. Układy dodatkowe

Oprócz stabilizatora na płytce został jeszcze umieszczony przekaźnik z cewką o napięciu +24 V i obciążeniu styków 8 A. Przekaźnik jest niezbędny do realizacji funkcji włączania i wyłączania zasilacza za pomocą przycisku. Z założenia po włączeniu do sieci styki przekaźnika są rozwarte i na wyjściu nie ma napięcia. Dopiero przyciśnięcie przycisku START w sterowniku powoduje załączenie przekaźnika i podanie napięcia na zaciski wyjściowe.

Tomasz Jabłoński, EP