Catu Daya Lab Luar Biasa: 15 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:58

Dari sudut pandang saya, salah satu cara terbaik untuk memulai elektronik adalah dengan membangun catu daya laboratorium Anda sendiri. Dalam instruksi ini saya telah mencoba mengumpulkan semua langkah yang diperlukan sehingga siapa pun dapat membangunnya sendiri.

Semua bagian perakitan dapat langsung dipesan di digikey, ebay, amazon atau aliexpress kecuali sirkuit meteran. Saya membuat pelindung sirkuit meteran khusus untuk Arduino yang dapat mengukur hingga 36V - 4A, dengan resolusi 10mV - 1mA yang dapat digunakan untuk proyek lain juga.

Catu daya memiliki beberapa fitur berikut:

• Tegangan Nominal: 24V.
• Arus Nominal: 3A.
• Riak Tegangan Output: 0,01% (Sesuai dengan spesifikasi kit rangkaian catu daya).
• Resolusi pengukuran tegangan: 10mV.
• Resolusi pengukuran saat ini: 1mA.
• Mode CV dan CC.
• Lebih dari perlindungan saat ini.
• Perlindungan tegangan berlebih.

Langkah 1: Bagian dan Diagram Pengkabelan

Terlepas dari Gambar, saya telah melampirkan file WiringAndParts.pdf ke langkah ini. Dokumen tersebut menjelaskan semua bagian fungsional, termasuk tautan pemesanan, catu daya bangku dan cara menghubungkannya.

Tegangan listrik masuk melalui konektor panel IEC (10) yang memiliki dudukan yang mudah pecah, ada sakelar daya di panel depan (11) yang memutus rangkaian yang terbentuk dari konektor IEC ke transformator (9).

Trafo (9) menghasilkan 21VAC. 21 VAC langsung menuju ke rangkaian catu daya (8). Output dari rangkaian catu daya (8) langsung menuju ke terminal IN dari rangkaian meter (5).

Terminal OUT dari rangkaian meter (5) terhubung langsung ke tiang pengikat positif dan negatif (4) dari catu daya. Rangkaian meter mengukur tegangan dan arus (sisi tinggi), dan dapat mengaktifkan atau menonaktifkan koneksi antara masuk dan keluar.

Kabel, pada umumnya menggunakan kabel bekas yang ada di rumah. Anda dapat memeriksa internet untuk pengukur AWG yang sesuai untuk 3A tetapi, secara umum aturan umum 4A/mm² berfungsi, khususnya untuk kabel pendek. Untuk kabel tegangan listrik (120V atau 230V) gunakan kabel terisolasi yang sesuai, 600V di AS, 750V di Eropa.

Transistor pass seri dari rangkaian catu daya (Q4) (12) telah disambungkan alih-alih disolder untuk memudahkan pemasangan heatsink (13).

Potensiometer 10K asli dari rangkaian catu daya telah diganti dengan model multi-putaran (7), ini memungkinkan penyesuaian tegangan dan arus keluaran yang tepat.

Papan arduino rangkaian meter ditenagai menggunakan kabel colokan listrik (6) yang berasal dari rangkaian catu daya (8). Papan catu daya telah dimodifikasi untuk mendapatkan 12V, bukan 24V.

Pin positif LED CC dari rangkaian catu daya dihubungkan ke konektor mode Rangkaian Meter. Ini memungkinkannya mengetahui kapan harus menampilkan mode CC atau CV.

Ada dua tombol yang terhubung ke rangkaian meter (3). Tombol Off "merah" memutuskan tegangan output. Tombol Hidup "hitam" menghubungkan tegangan output dan mengatur ulang kesalahan OV atau OC.

Ada dua potensiometer yang dihubungkan ke rangkaian meter (2). Satu menetapkan ambang OV dan yang lain menetapkan ambang OC. Potensiometer ini tidak perlu multiturn, saya sudah menggunakan potensiometer asli dari rangkaian power supply.

LCD alfanumerik 20x4 I2C (1) disambungkan ke sirkuit meteran. Ini menunjukkan informasi terkini tentang tegangan keluaran, arus keluaran, setpoint OV, setpoint dan status OC.

Langkah 2: Kit Sirkuit Catu Daya

Saya membeli kit ini yang dinilai sebagai 30V, 3A:

Saya melampirkan panduan perakitan yang saya temukan di Internet dan gambar Skema. Secara singkat:

Rangkaian ini adalah catu daya linier.

Q4 dan Q2 adalah array Darlington dan membentuk transistor pass seri, dikendalikan oleh penguat operasional untuk mempertahankan tegangan dan arus pada nilai yang diinginkan.

Arus diukur dengan R7, menambahkan resistansi ini di sisi rendah membuat ground dari rangkaian catu daya dan ground output berbeda.

Sirkuit menggerakkan LED yang menyala ketika mode arus konstan aktif.

Sirkuit ini menggabungkan jembatan Graeth untuk memperbaiki input AC. Input AC juga digunakan untuk menghasilkan tegangan bias negatif untuk mencapai 0V.

Tidak ada perlindungan termal di sirkuit ini, jadi dimensi heatsink yang tepat sangat penting.

Sirkuit ini memiliki output 24V untuk kipas "opsional". Saya telah mengganti regulator 7824 dengan regulator 7812 untuk mendapatkan 12V untuk papan Arduino dari rangkaian meteran.

Saya belum merakit LED, sebaliknya saya menggunakan sinyal ini untuk menunjukkan rangkaian meteran jika catu daya dalam CC atau CV.

Langkah 3: Perakitan Kit Sirkuit Catu Daya

Di sirkuit ini semua bagian melalui lubang. Secara umum Anda harus mulai dengan yang terkecil.

• Solder semua resistor.
• Solder sisa komponen.
• Gunakan tang saat membengkokkan kabel dioda agar tidak putus.
• Tekuk ujung op amp DIP8 TL081.
• Gunakan senyawa heatsink saat merakit heatsink.

Langkah 4: Desain dan Skema Sirkuit Meter

Sirkuit ini adalah pelindung untuk Arduino UNO yang kompatibel dengan versi R3. Saya telah mendesainnya dengan suku cadang yang tersedia di digikey.com.

Output dari kit rangkaian catu daya vkmaker terhubung ke blok terminal IN dan blok terminal OUT langsung ke tiang pengikat catu daya.

R4 adalah resistor shunt di rel positif senilai 0,01ohm, memiliki penurunan tegangan yang sebanding dengan keluaran arus. Tegangan diferensial R4 dihubungkan langsung ke pin RS+ dan RS- dari IC1. Penurunan tegangan maksimum pada keluaran arus maksimum adalah 4A*0,01ohm = 40mV.

R2, R3 dan C2 membentuk filter ~15Hz untuk menghindari noise.

IC1 adalah penguat arus sisi tinggi: MAX44284F. Ini didasarkan pada penguat operasional cincang yang membuatnya bisa mendapatkan tegangan offset input yang sangat rendah, maksimum 10uV pada 25ºC. Pada 1mA penurunan tegangan di R4 adalah 10uV, sama dengan tegangan offset input maksimum.

MAX44284F memiliki penguatan tegangan 50V/V sehingga tegangan keluaran, sinyal SI, pada arus maksimum 4A, akan bernilai 2V.

Tegangan input mode umum maksimum MAX44284F adalah 36V, ini membatasi rentang tegangan input hingga 36V.

R1 dan C1 membentuk filter untuk menekan sinyal yang tidak diinginkan 10KHz dan 20KHz yang dapat muncul karena arsitektur perangkat, direkomendasikan di halaman 12 lembar data.

R5, R6 dan R7 adalah pembagi tegangan impedansi tinggi 0,05V/V. R7 dengan C4 membentuk filter ~5Hz untuk menghindari noise. Pembagi tegangan ditempatkan setelah R4 untuk mengukur tegangan keluaran nyata setelah jatuh tegangan.

IC3 adalah penguat operasional MCP6061T, ia membentuk pengikut tegangan untuk mengisolasi pembagi tegangan impedansi tinggi. Arus bias input maksimum adalah 100pA pada suhu kamar, arus ini dapat diabaikan terhadap impedansi pembagi tegangan. Pada 10mV tegangan pada input IC3 adalah 0,5mV, jauh lebih besar dari tegangan offset inputnya: maksimum 150uV.

Output dari IC3, sinyal SV, memiliki tegangan 2V pada tegangan input 40V (maksimum mungkin adalah 36V karena IC1). Sinyal SI dan SV dihubungkan ke IC2. IC2 adalah MCP3422A0, saluran ganda I2C sigma delta ADC. Ini memiliki referensi tegangan internal 2.048V, penguatan tegangan yang dapat dipilih dari 1, 2, 4, atau 8V/V dan nomor yang dapat dipilih dari 12, 14, 16 atau 18bit.

Untuk rangkaian ini saya menggunakan gain tetap 1V/V dan resolusi tetap 14bit. Sinyal SV, dan SI tidak diferensial sehingga pin negatif dari setiap input harus di-ground. Itu berarti jumlah LSB yang tersedia akan menjadi setengahnya.

Karena referensi tegangan internal adalah 2,048V dan jumlah efektif LSB adalah 2^13, nilai ADC akan menjadi: 2LSB per setiap 1mA untuk arus dan 1LSB per setiap 5mV untuk tegangan.

X2 adalah konektor untuk tombol tekan ON. R11 mencegah input pin Arduino dari pelepasan statis dan R12 adalah resistor pull-up yang menghasilkan 5V saat tidak ditekan dan ~0V saat ditekan. sinyal I_ON.

X3 adalah konektor untuk tombol tekan OFF. R13 mencegah input pin Arduino dari pelepasan statis dan R14 adalah resistor pull-up yang menghasilkan 5V saat tidak ditekan dan ~0V saat ditekan. Sinyal I_OFF.

X5 adalah konektor untuk potensiometer titik setel proteksi arus lebih. R15 mencegah pin input Arduino dari pelepasan listrik statis dan R16 mencegah rel +5V dari korsleting. sinyal A_OC.

X6 adalah konektor untuk potensiometer titik setel perlindungan tegangan lebih. R17 mencegah pin input Arduino dari pelepasan listrik statis dan R18 mencegah rel +5V dari korsleting. Sinyal A_OV.

X7 merupakan input eksternal yang digunakan untuk mendapatkan mode arus konstan atau tegangan konstan dari catu daya. Karena dapat memiliki banyak tegangan input, maka dibuat menggunakan Q2, R19, dan R20 sebagai pengubah level tegangan. Sinyal I_MOD.

X4 adalah konektor LCD eksternal, itu hanya koneksi rel 5V, jalur GND dan I2C SCL-SDA.

Garis I2C, SCL dan SDA, dibagi oleh IC2 (ADC) dan LCD eksternal, mereka ditarik oleh R9 dan R10.

R8 dan Q1 membentuk driver relai K1. K1 menghubungkan tegangan output saat diberi daya. Dengan 0V di -CUT, relai tidak diberi daya, dan dengan 5V di -CUT, relai diberi daya. D3 adalah dioda free wheeling untuk menekan tegangan negatif saat memotong tegangan coil relay.

Z1 adalah Transient Voltage Suppressor dengan tegangan nominal 36V.

Langkah 5: Meteran Sirkuit PCB

Saya telah menggunakan versi gratis dari Eagle untuk skema dan PCB. PCB adalah desain dua sisi tebal 1,6 yang memiliki ground plane terpisah untuk sirkuit analog dan sirkuit digital. Desainnya cukup sederhana. Saya mendapat file dxf dari Internet dengan dimensi garis besar dan posisi konektor pinhead Arduino.

Saya memposting file-file berikut:

• File elang asli: 00002A.brd dan 00002A.sch.
• File Gerber: 00002A.zip.
• Dan BOM (Bill Of Material) + panduan perakitan: BOM_Assemby.pdf.

Saya memesan PCB ke PCBWay (www.pcbway.com). Harganya sangat rendah: $33, termasuk pengiriman, untuk 10 papan yang tiba dalam waktu kurang dari seminggu. Saya dapat membagikan papan yang tersisa dengan teman-teman saya atau menggunakannya dalam proyek lain.

Ada kesalahan dalam desain, saya menempatkan melalui menyentuh silkscreen di legenda 36V.

Langkah 6: Perakitan Sirkuit Meter

Meskipun sebagian besar bagian adalah SMT di papan ini, dapat dirakit dengan besi solder biasa. Saya telah menggunakan Hakko FX888D-23BY, pinset ujung halus, beberapa sumbu solder, dan solder 0,02.

• Setelah menerima bagian, ide terbaik adalah menyortirnya, saya telah menyortir kapasitor dan resistor dan menjepit tas.
• Pertama merakit bagian-bagian kecil, dimulai dengan resistor dan kapasitor.
• Pasang R4 (0R1) dimulai dengan salah satu dari empat sadapan.
• Solder sisa bagian, secara umum untuk SOT23, SOIC8, dll. Cara terbaik adalah dengan menerapkan solder di satu pad terlebih dahulu, solder bagian di tempatnya dan kemudian solder sisa lead. Terkadang solder dapat menyatukan banyak bantalan, dalam hal ini Anda dapat menggunakan fluks dan sumbu solder untuk melepaskan solder dan membersihkan celah.
• Pasang sisa komponen lubang tembus.

Langkah 7: Kode Arduino

Saya telah melampirkan file DCmeter.ino. Semua program disertakan dalam file ini selain dari perpustakaan LCD “LiquidCrystal_I2C”. Kode ini sangat dapat disesuaikan, terutama bentuk bilah kemajuan dan pesan yang ditampilkan.

Seperti semua kode arduino, fungsi setup() dijalankan pertama kali dan fungsi loop() dijalankan terus menerus.

Fungsi pengaturan mengonfigurasi tampilan, termasuk karakter spesial untuk bilah kemajuan, memulai mesin status MCP4322 dan mengatur relai dan lampu latar LCD untuk pertama kalinya.

Tidak ada interupsi, dalam setiap iterasi fungsi loop melakukan langkah-langkah berikut:

Dapatkan nilai dari semua sinyal input I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV dan I_MOD. I_ON, dan I_OFF di-debounce. A_OC dan A_OV dibaca langsung dari ADC Arduino dan disaring menggunakan bagian median dari tiga pengukuran terakhir. I_MOD dibaca langsung tanpa debouncing.

Kontrol waktu nyala lampu latar.

Jalankan mesin status MCP3422. Setiap 5 ms itu polling MCP3422 untuk melihat apakah konversi terakhir selesai dan jika demikian mulai berikutnya, berturut-turut mendapatkan nilai tegangan dan arus yang ada pada output.

Jika ada nilai baru tegangan dan arus keluaran dari mesin status MCP3422, perbarui status catu daya berdasarkan pengukuran dan perbarui tampilan.

Ada implementasi buffer ganda untuk memperbarui tampilan lebih cepat.

Makro berikut dapat disesuaikan untuk proyek lain:

MAXVP: OV maksimum dalam unit 1/100V.

MAXCP: OC maksimum dalam unit 1/1000A.

DEBOUNCEHARDNESS: Jumlah iterasi dengan nilai berurutan untuk menebak itu benar untuk I_ON dan I_OFF.

LCD4x20 atau LCD2x16: Kompilasi untuk tampilan 4x20 atau 2x16, opsi 2x16 belum diterapkan.

Implementasi 4x20 menunjukkan informasi berikut: Pada baris pertama tegangan keluaran dan arus keluaran. Di baris kedua, bilah kemajuan yang mewakili nilai keluaran relatif terhadap titik setel perlindungan untuk tegangan dan arus. Di baris ketiga, setpoint arus untuk proteksi tegangan lebih dan proteksi arus lebih. Di baris keempat status catu daya saat ini: CC ON (Aktif dalam mode arus konstan), CV ON (Aktif dalam mode tegangan konstan), OFF, OV OFF (Mati menunjukkan bahwa catu daya padam karena OV), OC OFF (Mati menunjukkan bahwa catu daya mati karena OC).

Saya telah membuat file ini untuk mendesain karakter bilah kemajuan:

Langkah 8: Masalah Termal

Menggunakan heatsink yang tepat sangat penting dalam perakitan ini karena sirkuit catu daya tidak terlindung dari panas berlebih.

Menurut datasheet transistor 2SD1047 memiliki sambungan ke case resistansi termal Rth-j, c = 1,25ºC/W.

Menurut kalkulator web ini: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi… hambatan termal heatsink yang saya beli adalah Rth-hs, udara = 0,61ºC/W. Saya akan berasumsi bahwa nilai sebenarnya lebih rendah karena heatsink terpasang ke kasing dan panasnya juga bisa dihilangkan dengan cara itu.

Menurut penjual ebay, konduktivitas termal lembar isolator yang saya beli adalah K = 20.9W/(mK). Dengan ini, dengan ketebalan 0.6mm, hambatan termal adalah: R = L/K = 2.87e-5(Km2)/W. Jadi, kasus tahanan termal ke heatsink isolator untuk permukaan 15mm x 15mm dari 2SD1047 adalah: Rth-c, hs = 0,127ºC/W. Anda dapat menemukan panduan untuk perhitungan ini di sini:

Daya maksimum yang diijinkan untuk 150ºC di persimpangan dan 25ºC di udara adalah: P = (Tj - Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, udara + Rth-c, hs) = (150 - 25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63W.

Tegangan keluaran transformator adalah 21VAC pada beban penuh, yang menghasilkan rata-rata 24VDC setelah dioda dan penyaringan. Jadi disipasi maksimumnya adalah P = 24V * 3A = 72W. Mempertimbangkan bahwa ketahanan termal heatsink sedikit lebih rendah karena disipasi selungkup logam, saya berasumsi itu sudah cukup.

Langkah 9: Kandang

Enklosur, termasuk pengiriman, adalah bagian paling mahal dari catu daya. Saya menemukan model ini di ebay, dari Cheval, produsen Thay: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. Padahal, penjual ebay itu berasal dari Thailand.

Kotak ini memiliki nilai yang sangat baik untuk uang dan tiba dengan kemasan yang cukup baik.

Langkah 10: Mekanisasi Panel Depan

Pilihan terbaik untuk mekanisasi dan pengukiran panel depan adalah menggunakan router seperti ini https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k… atau membuat penutup plastik khusus dengan PONOKO, misalnya. Tetapi karena saya tidak memiliki router dan saya tidak ingin menghabiskan banyak uang, saya memutuskan untuk membuatnya dengan cara lama: Memotong, memotong dengan file dan menggunakan huruf transfer untuk teks.

Saya telah melampirkan file Inkscape dengan stensil: frontPanel.svg.

• Potong stensil.
• Tutupi panel dengan selotip pelukis.
• Rekatkan stensil ke pita pelukis. Saya telah menggunakan tongkat lem.
• Tandai posisi latihan.
• Bor lubang untuk memungkinkan gergaji fret atau mata gergaji coping masuk ke bagian dalam.
• Potong semua bentuk.
• Pangkas dengan File. Dalam hal lubang bundar untuk potensiometer dan tiang pengikat, tidak perlu menggunakan gergaji sebelum pengarsipan. Dalam kasus lubang tampilan, pemangkasan file harus sebaik mungkin karena ujung-ujungnya akan terlihat.
• Lepaskan stensil dan pita pelukis.
• Tandai posisi teks dengan pensil.
• Pindahkan surat-suratnya.
• Hapus tanda pensil dengan penghapus.

Langkah 11: Mekanisasi Panel Belakang

• Tandai posisi heatsink, termasuk lubang untuk transistor daya dan posisi sekrup penahan.
• Tandai lubang untuk mengakses heatsink dari bagian dalam kandang catu daya, saya telah menggunakan isolator sebagai referensi.
• Tandai lubang untuk konektor IEC.
• Bor kontur bentuk.
• Bor lubang untuk sekrup.
• Potong bentuk dengan tang potong.
• Pangkas bentuk dengan file.

Langkah 12: Merakit Panel Depan

• Lepaskan kabel multikonduktor dari memo untuk mendapatkan kabel.
• Bangun rakitan LCD yang menyolder I2C ke antarmuka paralel.
• Bangun "konektor molex", rakitan kawat dan tabung yang dapat menyusut untuk: potensiometer, tombol tekan, dan LCD. Hapus semua tonjolan di potensiometer.
• Lepaskan cincin penunjuk kenop.
• Potong batang potensiometer seukuran kenop. Saya telah menggunakan selembar karton sebagai pengukur.
• Pasang tombol tekan dan tombol daya.
• Rakit potensiometer dan pasang kenop, potensiometer multiturn yang saya beli memiliki poros inci dan model satu putaran memiliki poros 6mm. Saya telah menggunakan ring sebagai pengatur jarak untuk memangkas jarak potensiometer.
• Sekrup posting yang mengikat.
• Pasang selotip dua sisi di LCD dan tempelkan ke panel.
• Solder kabel positif dan negatif ke tiang pengikat.
• Pasang lug terminal GND di tiang penjilidan hijau.

Langkah 13: Merakit Panel Belakang

• Pasang heatsink ke panel belakang, meskipun cat adalah isolator termal, saya telah menambahkan gemuk heatsink untuk meningkatkan perpindahan panas dari heatsink ke enklosur.
• Pasang konektor IEC.
• Posisikan spacer perekat menggunakan rangkaian kit catu daya.
• Pasang transistor daya dan isolator, harus ada pelumas termal di setiap permukaan.
• Pasang 7812 untuk menyalakan arduino, itu menghadap ke kasing untuk memungkinkan pembuangan panas, menggunakan salah satu sekrup yang menahan heatsink. Saya seharusnya menggunakan mesin cuci plastik seperti ini https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Transistor-… tapi saya akhirnya menggunakan isolator yang sama dengan transistor daya dan bagian casing yang bengkok.
• Hubungkan transistor daya dan 7812 ke sirkuit catu daya.

Langkah 14: Perakitan Akhir dan Pengkabelan

• Tandai dan bor lubang untuk transformator.
• Merakit transformator.
• Tempelkan kaki perekat kandang.
• Tempelkan rangkaian DC meter menggunakan perekat spacer.
• Kikis cat untuk mengencangkan lug GND.
• Bangun rakitan kabel tegangan listrik, semua terminasinya adalah Faston 3/16”. Saya telah menggunakan tabung menyusut untuk mengisolasi terminasi.
• Potong bagian depan dudukan enklosur di sisi kanan untuk mendapatkan ruang untuk tombol tekan daya.
• Hubungkan semua kabel sesuai dengan panduan perakitan.
• Pasang Sekring (1A).
• Letakkan potensiometer tegangan keluaran (potensiometer VO), ke CCW minimum dan sesuaikan tegangan keluaran sedekat mungkin ke nol volt menggunakan potensiometer penyesuaian halus multiturn dari rangkaian catu daya vkmaker.
• Merakit kandang.

Langkah 15: Peningkatan dan Pekerjaan Lebih Lanjut

Perbaikan

• Gunakan mesin cuci model grower untuk menghindari sekrup lepas karena getaran, khususnya getaran dari trafo.
• Cat panel depan dengan pernis transparan untuk mencegah huruf terhapus.

Pengerjaan lebih lanjut:

• Tambahkan konektor usb seperti ini: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… di panel belakang. Berguna untuk mengupgrade kode tanpa membongkar atau membuat ATE kecil yang mengontrol fungsi On Off, mendapatkan status dan pengukuran menggunakan PC.
• Buatlah kompilasi kode LCD 2x16.
• Buat rangkaian catu daya baru, alih-alih menggunakan kit vkmaker, dengan kontrol digital dari tegangan dan arus keluaran.
• Lakukan tes yang memadai untuk mengkarakterisasi catu daya.

Hadiah Pertama dalam Kontes Power Supply