Блок управления лабораторным источником питания или зарядным устройством на Atmega8.

Дмитрий Никифоров

Аннотация:
Блок управления лабораторным источником питания или зарядным устройством в моём случае применяется для управления компьютерным БП 250 Вт. В данном примере позволяет регулировать напряжение блока АТХ от 0В до 15В и ток от 0А до 10А, пределы регулировки можно перестроить под свои нужды.
Пульсации выходного напряжения в этом диапазоне не превышают 1%. Запоминает 5 вариантов настройки выходного напряжения и тока. Имеет защиту от перегрузки.
Строилось это устройство для моего друга, который использует его и как зарядник автомобильных аккумуляторов, и как лабораторный источник питания.

Данная схема позволяет управлять как импульсным источником питания, так и “теплым”, аналоговым потому как принципы одни и те же.
В моём случае она служит для управления компьютерным источником питания АТХ, на основе которого и выполнен этот лабораторный источник питания.

Способов переделки компьютерных источников питания в регулируемые (лабораторные), а так же зарядные устройства в интернете довольно много.
По моему мнению, эта статья https://www.drive2.ru/l/491252450515222847/, является лучшей и наиболее подробной. Её я и взял за основу.
Отличие от приведенной там схемы состоит лишь в том, что я решил использовать цифровое управление, так как на улице 2022 год. Да и по моему мнению оно будет поудобней из за различных фишек типа сохранения настроек и визуализации заранее установленных напряжения и тока.

Всё было встроено в корпус от какого – то прибора, который валялся у меня без дела несколько лет.

Схему приведённую на сайте https://www.drive2.ru/l/491252450515222847/ я изменил, как показано на рисунке.
 

1) Добавил в нее блок управления и индикации.

2) Узел защиты (свой), но вполне можно использовать и узел приведённый на схеме автора.

3) Узел управления вентилятором можно переделать как у меня, а можно оставить и старый, тут на своё усмотрение.

Теперь обо всём по порядку.

В схеме автора всё питается от стандартного дежурного источника встроенного в компьютерный блок питания. Можно поступить и так. Но я использовал отдельный дежурный источник питания (более мощный), у меня он просто был.
Для питания блока управления нужны 3 напряжения (+15В, +3,3В и +5В.).
Формируются они из 15В при помощи DC/DC преобразователя и линейного стабилизатора.

Сигналы напряжения и тока усиливаются и масштабируются так же, как на схеме автора.
В моём устройстве плата управления и индикации и плата усилителей выполнены отдельно.
Особенности корпуса от какого-то прибора, под который я их и разводил

В схему по выходу добавлен предохранитель и диод на случай переполюсовки.
Логика в том что при подаче напряжения обратной полярности – например при зарядке аккумулятора (неправильного подключения), диод откроется и сгорит предохранитель.
Диод в цепь плюс решил не ставить, так как это потери, нагрев и необходимость в радиаторе. Ну тут на любителя.

Блок управления и индикации выполнен на микроконтроллере Atmega8A.
Сигналы усиленные и масштабированные до 5В мах (при мах сигнале) подаются на АЦП “Меги”, где обрабатываются и выводятся на индикатор, а так же подаются как сигналы обратной связи по напряжению и току на ШИМ контроллер компьютерного блока питания..
В качестве устройства отображения используется LCD Nokia 5510. В своё время были приобретены по дешёвке на Али экспресс. Да и наглядней он чем 2х строчный.
Особенность этого индикатора в том, что питается он от 3.3В, но так как Мега в схеме питается от 5ти В, (причины на то были такие - опорное ШИМ в схеме 5В, хотелось растянуть шкалу АЦП, и без лишних проблем всё считать и выводить), логические уровни контроллера пришлось приводить к допустимым уровням индикатора.
На схеме это выполнено при помощи диодов и резисторов.
Подключение энкодеров стандартное. Емкости предназначены для защиты от дребезга.
В качестве ЦАП для получения опорных напряжений (заменяют переменные резисторы в схеме из статьи https://www.drive2.ru/l/491252450515222847/), были применены MCP4725 (куплены на Али экспресс).

Схема платы управления.

На индикаторе отображается измеренные ток и напряжение, установленные ток и напряжения, состояние выхода ON/OFF, выбранная на данный момент ячейка памяти с настройками выходных параметров и в случае аварии – аварийное сообщение.

Сохраняются выставленные параметры тока и напряжения при длинном нажатии энкодера регулировки тока, что подтверждается выводом соответствующего сообщения.

Короткое нажатие энкодера регулировки тока переключает ячейки сохранённых значений напряжения и тока.
Всего 5 ячеек (тут на усмотрение). Короткое нажатие энкодера напряжения сбрасывает возникшую ошибку. Нажатия сопровождаются звуковыми сигналами разной длительности.

Работа блока питания на нагрузку и отображение на индикаторе выставленных и реальных значений тока и напряжения.

Работа блока питания в режиме ограничения тока. На индикаторе отображается выставленные и реальные значения тока и напряжения.

Платы я заказывал у наших китайских друзей на JLCPCB. Они не особо жадные. За 5 шт каждых отдал 1800р.
Получилось довольно симпатично.

Платы блока защиты и управления вентилятором пока не разводил. Они в моём устройстве пока выполнены на макетках.
Схема защиты от превышения мощности и превышения напряжения особо не отличаются от стандартной. Схема платы защиты изображена выше (смотри четвёртый рисунок сверху).

Компаратор сравнивает опорное напряжение с проинтегрированным RC цепочкой и в случае превышения переключается и подаёт положительное напряжение на 4й пин ШИМ контроллера TL494. Как только напряжение на 4й ноге превысит 3.3В ШИМ отключится. Так же в схеме присутствует плавный пуск на емкости С2 и резисторе R16. от их номиналов зависит время старта ШИМ (скорость нарастания выходного напряжения и тока, это важно например при работе на емкостную нагрузку).
Включение и отключение блока производится всё по той же 4й ноге ШИМ при длинном нажатии кнопки энкодера регулировки напряжения. Микроконтроллер выдаёт низкий уровень на базу Q2 (ON) и высокий в случае (OFF).
В зависимости от этого меняется индикация состояния выхода на экране.

Вообще из дальнейших наблюдений сделаны выводы, что усилители нужно располагать ближе к ШИМ контроллеру, так же рядом с ШИМ контроллером нужно располагать ЦАПЫ и связывать их с блоком управления по шине I2C. Что бы не было длинных проводников обратной связи. У меня сделано не так, но это как говориться прототип.
Да и не очень удобно сделать это применительно к компьютерному блоку питания.
В идеале надо и его развести заново. Однако, и так получилось довольно удачно.

В схеме работы вентилятора присутствует переменный резистор, с помощь него устанавливается напряжение на вентиляторе при “холодном” терморезисторе.
У меня при ”холодном” терморезисторе вентилятор вращается на напряжении 6В, а при прогреве выходит на 12В.
Терморезистор стандартный (из компьютерного блока) с отрицательным ТКС и номиналом 10К.

Прошивку Atmega8A и исходники прилагаю. Все с комментариями.
Проект в DipTrace.
Каждый может переделать под себя.
Вместе с файлами проекта прикладываю таблицу EXEL для ускорения пересчёта резисторов в усилителях, для перестройки пределов измерений.

При написании программы для микроконтроллера использовались интернет ресурсы:
https://www.youtube.com/playlist?list=PL-bJ-cyZJjjDetZrdA7uiYrVvdJSIBZVR
https://narodstream.ru/programmirovanie-mk-avr/
https://www.drive2.ru/l/491252450515222847/
https://robotchip.ru/i2c-skaner-na-arduino/

Скачать файлы проекта.