Programowany hybrydowy zasilacz laboratoryjny z modułem Wi-Fi, część 1

Prezentowana konstrukcja, dzięki zastosowaniu przetwornicy impulsowej AC-DC i wstępnej regulacji napięcia, również w trybie przełączania, pozwala uniknąć nieporęcznych transformatorów mocy i znacznego wytwarzania ciepła. Końcowy stopień regulacji jest liniowy, co zapewnia lepsze sterowanie linii wyjścia i obciążenia, a także niższe tętnienia i szumy.

Dzięki niewielkiemu wytwarzaniu ciepła, zasilacz mieści się w kompaktowej obudowie z tworzywa sztucznego, a cała jednostka ma masę zaledwie 1,5 kg – mniej niż sam transformator mocy w konwencjonalnej konstrukcji.

Zasilacz jest programowalny dzięki czemu znakomicie sprawdzi się jako część zestawu przyrządów laboratoryjnych. Można go, na przykład, wykorzystać do zautomatyzowanego testowania. Interfejs Wi-Fi umożliwia zdalne monitorowanie za pośrednictwem łącza internetowego i zdalne sterowanie za pomocą standardowego protokołu SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments).

Napięcie i prąd są ustawiane w krokach co 10 mV i 10 mA, a napięcie jest sprawdzane z dokładnością do miliwoltów. W celu zachowania parametrów między sesjami, ustawienia urządzenia są przechowywane we wbudowanej pamięci flash.

Ograniczenie prądu, zabezpieczenie przeciwzwarciowe i termiczne są sterowane programowo.

Ograniczenia bezpiecznego obszaru roboczego dla urządzeń wyjściowych są egzekwowane przez oprogramowanie, zapewniając dodatkową warstwę ochrony przed przeciążeniem zasilacza, oprócz zabezpieczeń wbudowanych dla trzech regulatorów.

Zasilacz laboratoryjny składa się z trzech modułów: modułu sterującego na górze, modułu regulatora na dole oraz przetwornicy impulsowej AC-DC (gotowy moduł), który zapewnia zasilanie prądem stałym dla wszystkich obwodów. Moduł sterujący jest zasilany z szyn zasilających o niższym napięciu, które pochodzą z modułu regulatora.

Więcej funkcji

Tradycyjnie zasilacze laboratoryjne, gdy wyjście jest podłączone za pomocą przełącznika lub przekaźnika, „uruchamiają się awaryjnie” (poza zakresem nominalnego obciążenia), w przeciwieństwie do zachowania większości zasilaczy wbudowanych w sprzęt, w których napięcie narasta przez dziesiątki milisekund. Ten zasilacz laboratoryjny ma funkcję łagodnego rozruchu, która podnosi napięcie od zera do ustawionej wartości w tempie 100 V na sekundę, gdy wyjście jest włączone.

Zdalne sterowanie obejmuje regulację napięcia wyjściowego i maksymalnego prądu za pośrednictwem Wi-Fi (TCP) i izolowanego modułu łącza USB. Zasilacz może łatwo wykonywać sekwencje skryptowe, takie jak skokowe zmiany napięcia i dowolne przyrosty napięć.

Na przykład, można napisać skrypty SCPI w EEZ Studio (do pobrania za darmo ze strony https://github.com/eez-open/studio), aby ustawić napięcie wyjściowe naprzemiennie na dwie różne wartości, aby przetestować regulację obciążenia urządzenia lub reakcję na skokową zmianę napięcia wejściowego.

Po uruchomieniu urządzenia nie jest zalecana bezpośrednia komunikacja szeregowa USB. Lokalne uziemienie USB jest bezpośrednio podłączone do ujemnego zacisku zasilacza, który zwykle jest na potencjale pływającym. Dlatego podłączenie ujemnego zacisku wyjściowego do źródła napięcia może spowodować uszkodzenie komputera. Znacznie bezpieczniej jest korzystać ze sterowania Wi-Fi lub użyć izolatora USB.

Zamiast podłączać przyrząd do istniejącej sieci Wi-Fi LAN, można również skonfigurować go tak, aby uruchamiał własną sieć chronioną hasłem z identyfikatorem SSID ESPINST.

Po włączeniu zasilania zasilacz najpierw próbuje połączyć się z istniejącą siecią Wi-Fi, jeśli dane uwierzytelniające zostały wcześniej podane za pośrednictwem menu ekranowego. Jeśli to się nie powiedzie, próbuje połączyć się z istniejącą siecią Wi-Fi ESPINST. Jeśli to się nie powiedzie, urządzenie samo skonfiguruje sieć Wi-Fi ESPINST.

Jeśli używana jest istniejąca sieć Wi-Fi, dostęp do zasilacza można uzyskać za pomocą jego adresu IP lub lokalnej nazwy urządzenia (domyślnie MYPSU.local) przy użyciu protokołu mDNS.

Urządzenie udostępnia stronę internetową, która wyświetla ustawienia i zmierzone wartości, wraz z „dużym czerwonym przyciskiem” do zdalnego wyłączania wyjścia. Na stronie internetowej nie są dostępne żadne inne elementy sterujące, ponieważ nie jest ona zabezpieczona.

Kilka programowanych zasilaczy można skonfigurować jako grupę, komunikującą się przez Wi-Fi, co umożliwia zapewnienie normalnych funkcji śledzenia działania zasilaczy, tj. powiązanych ustawień napięcia i zsynchronizowanego ograniczania prądu bez konieczności korzystania z komputera hosta.

Ponieważ każdy zasilacz ma w pełni „pływające” wyjście, można je również łączyć szeregowo w celu zapewnienia wyższego napięcia wyjściowego lub równolegle w celu uzyskania wyższego prądu.

Ponieważ ograniczona ilość miejsca uniemożliwia tu pełne omówienie wszystkich funkcji urządzenia i sposobu ich wykorzystania, dlatego pełne opisy znajdują się w podręczniku dla tego projektu dostarczonym jako część plików do pobrania na stronie siliconchip.com.au/link/ab72.

Przegląd funkcji

Napięcie wyjściowe i maksymalny prąd można ustawić za pomocą ekranu dotykowego, używając kombinacji przycisków dotykowych po prawej stronie ekranu (V i A), które wybierają ustawienie do zmiany, dwóch przełączników chwilowych wybierających, która cyfra jest zmieniana, oraz enkodera obrotowego do zmiany rzeczywistej wartości. Zapewnia to płynne przejście od regulacji zgrubnej do precyzyjnej.

Ograniczenie prądu można włączyć za pomocą przycisku ekranowego (L), podobnie jak funkcje śledzenia (T), gdy dostępne jest więcej niż jedno źródło zasilania.

Rzeczywiste napięcie wyjściowe, prąd i moc są wyświetlane po lewej stronie ekranu głównego. Wzdłuż górnej krawędzi ekranu wyświetlane jest również napięcie wejściowe, temperatura radiatora, stan wentylatora i Wi-Fi, a także wskaźnik [E] (dla pamięci EEPROM), który pokazuje, kiedy trwa zapisywanie parametrów w pamięci FLASH.

Zapis do pamięci FLASH następuje z 30…40 sekundowym opóźnieniem po zmianie ostatniego ustawienia, ponieważ gwarantowana żywotność pamięci wynosi mniej niż 100 000 cykli kasowania/zapisu.

Dostęp do podmenu ustawień parametrów komunikacji (COM), funkcji kalibracji (CAL) i śledzenia (TRA) uzyskuje się za pomocą przycisków umieszczonych w dolnej części ekranu. Po uruchomieniu zasilacza dostęp do podmenu rzadko będzie konieczny.

Dwa dedykowane przyciski po lewej stronie panelu włączają i wyłączają przekaźnik wyjściowy. Te przyciski panelu sterowania są podłączone na stałe do płyty zasilacza, aby zapewnić, że wyjście może zostać odłączone nawet w mało prawdopodobnym przypadku, gdy jednostka centralna zostanie odłączona.

Wyjście zasilania jest pływające, więc trzeci zacisk GND jest przewidziany dla sytuacji, w których wymagane jest uziemienie zasilania.

Wydajność

Konwersję AC-DC zapewnia gotowy, dostępny na rynku moduł przetwornicy o napięciu znamionowym 24 V i prądzie 4,5 A (nominalnie 108 W). Dopóki jednak nie przekroczymy ogólnego limitu mocy, możemy pobierać nieco więcej prądu przy niższych napięciach lub nieco wyższe napięcie.

Przy pełnym skręceniu potencjometru na konwerterze, zasilanie AC-DC prototypu zapewnia napięcie nieco poniżej 30 V. Przy lekkich i umiarkowanych obciążeniach, regulator wstępny i regulator końcowy mają spadek napięcia poniżej 2 V, co daje teoretyczne maksymalne napięcie wyjściowe do 27 V z zasilania DC 30 V.

Gdy obciążenie wzrasta, a para tranzystorów Q1/Q2 zaczyna przewodzić (sytuacja opisana bardziej szczegółowo poniżej), spadek napięcia wzrasta, co ogranicza maksymalne napięcie wyjściowe do nieco poniżej 24 V przy pełnej mocy.

Charakterystyka ta wypada korzystnie w porównaniu ze spadkiem napięcia obserwowanym przy dużym obciążeniu w konstrukcjach opartych na transformatorach.

Kilka czynników ogranicza maksymalny prąd wyjściowy zasilacza: całkowity zakres mocy przetwornicy AC-DC, wartość jej prądu znamionowego równa 4,5 A przy pełnej mocy oraz wartość znamionowego prądu wejściowego równa 5 A dla stopnia regulatora wstępnego (czyli konwertera DC-DC).

Czerwona linia na rysunku 2, krzywa bezpiecznego obszaru roboczego (SOA) zasilacza, pokazuje jego ograniczenia. Regulator wstępny może obsłużyć do 5 A, definiując górną linię. Narożnik odcięcia odpowiada mocy wyjściowej 90 W, ponieważ 18 W z 108 W mocy przetwornicy AC-DC jest przy pełnej mocy przekształcane w ciepło przez stopień liniowy. Prawa linia to maksymalne napięcie wyjściowe 27 V.

Stopień mocy może dostarczać przy wyższych napięciach nieco mniej niż absolutna maksymalna moc, a czerwona linia wskazuje jego zmierzoną wydajność. Ograniczenia prądu SOA są wymuszane przez oprogramowanie: nawet jeśli ustawisz 5 A jako punkt ograniczenia prądu przy 20 V, ograniczenie rozpocznie się przy około 4,5 A, aby zapewnić, że maksymalna moc konwertera nie zostanie przekroczona.

Adaptacja do wydania polskiego – Andrzej Nowicki

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz