Zasilacz arbitralny powerBank

Korzystając z ekonomicznych dobrodziejstw dalekowschodniej myśli technicznej, nabyłem kilka lat temu zasilacz laboratoryjny charakteryzujący się podstawową funkcjonalnością, która wydawała się wystarczająca w wielu wypadkach. Niemniej jednak, skonstruowanie porządnego zasilacza o zdecydowanie bardziej rozbudowanej funkcjonalności było od dawna na mojej liście „rzeczy do zrobienia”, a zimowa aura stała się w tym wypadku dodatkowym sprzymierzeńcem. Dodatkowo, decyzję o samodzielnym wykonaniu zasilacza przesądziła w moim wypadku potrzeba ingerencji w posiadany sprzęt, która to zakończyła się na rozkręceniu i szybkim, ponownym skręceniu jego obudowy. Niestety, ekstremalnie niska cena gotowego produktu (poniżej 150 złotych) nawet w przypadku dalekowschodnich urządzeń musi odbić się na jakości wykonania i sposobie montażu, co dobitnie utwierdziło mnie w przekonaniu, iż „nic za darmo”. Osobom, które posiadają tego typu urządzenia zdecydowanie odradzam „lekturę ich wnętrzności”, no chyba, że jej celem będzie wiedza, jak nie należy realizować projektu… Tak, czy inaczej, przyszła pora na zmierzenie się z tematem i zaprojektowanie zasilacza arbitralnego „z prawdziwego zdarzenia”.

Tym razem rozpocząłem od przeglądu popularnych rozwiązań konstrukcyjnych dostępnych w sieci. Ku mojemu zdziwieniu okazało się, że większość z implementacji zasilaczy tego typu bazuje na układach, których korzenie są osadzone mocno w latach osiemdziesiątych, jakby od tego czasu w elektronice nie wymyślono niczego lepszego. Nie pomyślcie, że jestem przeciwnikiem starych, dobrych rozwiązań, ale idźmy z duchem czasu i stosujmy rozwiązania na miarę współczesnych wymagań czy potrzeb, które, przyznacie przecież, są nieco inne niż 30 lat temu!

W tym samym czasie, w toku moich, nazwijmy to, prac przygotowawczych, natknąłem się na bardzo ciekawą aplikację wzmacniacza operacyjnego o niecodziennych właściwościach, jakim okazał się być układ OPA549 aktualnie produkowany przez Texas Instruments. Wzmacniacz ten, określany przez producenta „High-Voltage, High-Current Operational Amplifier”, w jednej ze swoich przykładowych aplikacji był polecany w roli elementu wykonawczego mocy we wszelkiego rodzaju programowanych zasilaczach laboratoryjnych, co znalazło swoje odzwierciedlenie w jego dokumentacji w postaci przykładowych rozwiązań układowych z przetwornikami C/A. No cóż, nie sposób nie zgodzić się z tak uznanym producentem, a biorąc pod uwagę podstawowe parametry elektryczne układu, jak napięcie zasilania z zakresu ±30 V lub maksymalny prąd wyjściowy równy 8 A (szczytowo 10 A) należało bez wątpienia wybrać to peryferium, jako podstawę do konstrukcji nowoczesnego zasilacza arbitralnego. Ostatecznie, o wyborze tego elementu zamiast typowych rozwiązań w postaci stabilizatora i kilku tranzystorów mocy, zadecydowały dodatkowe cechy funkcjonalne jak:

• Wbudowany ogranicznik prądu wyjściowego sterowany napięciowo lub rezystancyjnie.
• Wbudowane zabezpieczenie termiczne z sygnalizacją zadziałania.
• Wyprowadzenie sterujące wyjściem końcówki mocy (włącz/wyłącz).

Zacznę więc trochę nietypowo, bo od schematu blokowego, dzięki któremu łatwiej będzie zrozumieć zasadę działania całego urządzenia. Bazując na nocie aplikacyjnej układu OPA549 i podstawowych założeniach funkcjonalnych projektu powstał wstępny schemat blokowy zasilacza arbitralnego.

Jak widać, nasz główny element, w postaci układu OPA549 pracującego w konfiguracji wzmacniacza nieodwracającego o wzmocnieniu równym 10 (1+18 kΩ/2 kΩ). Stanowi on jednocześnie element mocy i stabilizator napięcia wyjściowego.

Zasilany wyprostowanym napięciem pozyskanym w aplikacji typowego prostownika dwupołówkowego wykonanego przy udziale transformatora toroidalnego, mostka Graetza o dużej mocy i bloku kondensatorów o dużej pojemności, realizuje bazową funkcjonalność stabilizatora napięcia wyjściowego, dla którego napięciem odniesienia jest napięcie referencyjne 12-bitowego przetwornika C/A sterowanego z mikrokontrolera ATmega32 za pomocą magistrali I²C pracującej w trybie High Speed (400 kHz).

Minimalne napięcie wyjściowe układu OPA549 nie może być niższe niż napięcie ujemnej szyny zasilającej ten układ plus 3,5 V (dla prądu wyjściowego 5 A), a korzystamy tu z nieskomplikowanego zasilacza o dużej mocy z niesymetrycznym wyjściem, więc konieczne było zbudowanie zasilacza dostarczającego ujemne napięcie zasilania elementu mocy. Co oczywiste, można by było skorzystać z aplikacji typowego zasilacza symetrycznego o jednakowej wydajności prądowej obu uzwojeń, lecz w takim wypadku należałoby zastosować znacznie droższy transformator toroidalny z kilkoma odczepami napięć wyjściowych (plus dodatkowy blok elementów dyskretnych i półprzewodnikowych). Aby uprościć konstrukcję bloku zasilającego, skorzystano w tym wypadku z typowej aplikacji ujemnego źródła napięcia zasilania wykorzystującego scalony stabilizator liniowy 7905 oraz drugi z odczepów transformatora małej mocy przeznaczonego do zasilania cyfrowej części urządzenia. Zabieg tego typu był możliwy dzięki temu, że wzmacniacz mocy OPA549 nie pobiera z ujemnej szyny zasilającej prądu większego niż kilkadziesiąt mA (około 35 mA) pod warunkiem, że jego napięcie wyjściowe jest zawsze wyższe lub równe zero, co ma miejsce w tym urządzeniu.

Przyznam, że początkowo, do generowania ujemnego napięcia zasilającego zastosowałem pompę ładunku, jednak szybko okazało się, że nie sprawdza się ona w wypadku szybkich zmian obciążenia zasilacza, gdyż w czasie takich stanów przejściowych możemy spodziewać się nieco większego poboru prądu z ujemnej szyny zasilającej układ OPA549. Dzięki implementacji rozwiązania ze stabilizatorem liniowym 7905, można zastosować transformator toroidalny o prostej i taniej budowie, i w konsekwencji napięcie wyjściowe możemy regulować od samego zera, nie zaś od 3,5 V (w przypadku zasilania niesymetrycznego wzmacniacza mocy). Należy mieć jednak świadomość pewnego ograniczenia tego rodzaju układu, które to może się ujawnić w ekstremalnych warunkach pracy. Otóż, przy dużym prądzie wyjściowym zasilacza powerBank i zasilania odbiorników o charakterze pojemnościowym, czas narastania napięcia wyjściowego może się wydłużyć, co jest wynikiem niższej wydajności prądowej zasilacza napięcia ujemnego i co może mieć znaczenie w przypadku korzystania z funkcji WAVE, czyli podczas generowania przez urządzenie powerBank programowanych przebiegów napięciowych. W takim wypadku, aby wyeliminować opisywane powyżej zjawisko, należałoby zwiększyć wydajność prądową uzwojenia transformatora tworzącego obwód zasilania ujemnym napięciem oraz pojemność kondensatorów filtrujących C6 i C8. Niemniej jednak, jest to zjawisko, którego możemy spodziewać się w ekstremalnych warunkach pracy urządzenia i do tego nie zawsze istotne z punktu widzenia użytkownika, więc przedstawiony powyżej kompromis wydaje się być na wskroś akceptowalny.

Kontynuując opis modułu mocy należy zauważyć, że sygnał z wyjścia wzmacniacza operacyjnego OPA549 stanowiący źródło stabilizowanego napięcia wyjściowego urządzenia, trafia poprzez dokładny rezystor bocznikujący o rezystancji 10 mΩ na zaciski odbiornika. Spadek napięcia na wspomnianym boczniku jest mierzony przez specjalizowany, dokładny, 16-bitowy, różnicowy przetwornik A/C typu INA226, co pozwala na pomiar prądu pobieranego przez odbiornik i realizację funkcjonalności ogranicznika prądowego lub zabezpieczenia nadprądowego (dzięki funkcjonalności wbudowanej w układ INA226).

Tak w skrócie przedstawia się zasada działania naszego zasilacza arbitralnego, w związku z czym pora na przejście do szczegółów implementacyjnych. Z uwagi na sposób montażu mechanicznego wszystkich podzespołów, jak również logiczny podział poszczególnych elementów składowych urządzenia w świetle pełnionych przez nie funkcji, schemat urządzenia i stosowne obwody drukowane, został podzielony na trzy części: moduł mocy, moduł sterujący i moduł interfejsu zewnętrznego.