Fantastiese laboratoriumvoeding: 15 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:27

Van my kant af is een van die beste maniere om met elektronika te begin, u eie laboratoriumkragbron. In hierdie instruksies het ek probeer om al die nodige stappe te versamel, sodat elkeen sy eie kan bou.

Al die dele van die samestelling kan direk bestel word in digikey, ebay, amazon of aliexpress, behalwe die meterkring. Ek het 'n pasgemaakte meterkringskerm vir Arduino gemaak wat tot 36V - 4A kan meet, met 'n resolusie van 10mV - 1mA wat ook vir ander projekte gebruik kan word.

Die kragtoevoer het die volgende kenmerke:

• Nominale spanning: 24V.
• Nominale stroom: 3A.
• Uitgangsspanning rimpel: 0,01% (volgens die spesifikasies van die kragtoevoerstel).
• Spanning meting resolusie: 10mV.
• Huidige metingsresolusie: 1mA.
• CV- en CC -modusse.
• Oor huidige beskerming.
• Beskerming teen oorspanning.

Stap 1: Onderdele en bedradingsdiagram

Afgesien van die prentjie, het ek die lêer WiringAndParts.pdf by hierdie stap aangeheg. Die dokument beskryf al die funksionele dele, insluitend die bestelverbinding, van die bank se kragtoevoer en hoe om dit aan te sluit.

Die netspanning kom deur 'n IEC -paneelaansluiting (10) met 'n ingeboude houbare houer; daar is 'n kragskakelaar in die voorpaneel (11) wat die stroombaan wat van die IEC -aansluiting na die transformator (9) gevorm word, onderbreek.

Die transformator (9) lewer 21VAC uit. Die 21 VAC gaan direk na die kragtoevoerbaan (8). Die uitset van die kragtoevoerbaan (8) gaan direk na die IN -aansluiting van die meterkring (5).

Die OUT -aansluiting van die meterkring (5) is direk verbind met die positiewe en negatiewe bindingsposte (4) van die kragtoevoer. Die meterkring meet beide spanning en stroom (hoë kant) en kan die verbinding tussen in en uit aktiveer of deaktiveer.

Kabels, gebruik oor die algemeen skrootkabels wat u in u huis het. U kan op die internet kyk vir die toepaslike AWG -meter vir 3A, maar in die algemeen werk die duimreël van 4A/mm², veral vir kort kabels. Gebruik gepaste geïsoleerde kabels vir die netspanningbedrading (120V of 230V), 600V in die VSA, 750V in Europa.

Die series pass transistor van die kragtoevoerstroomkring (Q4) (12) is bedraad in plaas van gesoldeer om 'n maklike installering van die koellichaam (13) moontlik te maak.

Die oorspronklike 10K potensiometers van die kragtoevoerstroom is vervang met multiturn -modelle (7), wat 'n presiese aanpassing van die uitgangsspanning en stroom moontlik maak.

Die arduino -bord van die meterkring word aangedryf deur 'n kragaansluitkabel (6) wat uit die kragtoevoerstroombaan (8) kom. Die kragtoevoerbord is aangepas om 12V in plaas van 24V te verkry.

Die positiewe pen van die CC LED van die kragtoevoerstroomkring word aan die modusaansluiting van die meterkring gekoppel. Dit laat hom toe om te weet wanneer die CC- of CV -modus vertoon moet word.

Daar is twee knoppies wat aan die meterkring (3) gekoppel is. Die afknoppie "rooi" ontkoppel die uitgangsspanning. Die aan -knoppie "swart" verbind die uitgangsspanning en herstel OV- of OC -foute.

Daar is twee potensiometers aan die meterkring (2) gekoppel. Die een stel die OV -drempel en die ander stel die OC -drempel. Hierdie potensiometers hoef nie multiturn te wees nie; ek het die oorspronklike potensiometers van die kragtoevoerbaan gebruik.

Die 20x4 I2C alfanumeriese LCD (1) is aan die meterkring gekoppel. Dit toon die huidige inligting oor uitgangsspanning, uitsetstroom, OV -setpunt, OC -setpoint en status.

Stap 2: Kringkragstel

Ek het hierdie kit gekoop wat as 30V, 3A gegradeer is:

Ek heg 'n monteergids wat ek op die internet gevind het, aan en 'n beeld van die skematiese. Kortliks:

Die stroombaan is 'n lineêre kragtoevoer.

Q4 en Q2 is 'n Darlington -skikking en vorm die reeks -pass -transistor, dit word beheer deur die operasionele versterkers om die spanning en die stroom op die gewenste waarde te handhaaf.

Die stroom word gemeet met R7, en die byvoeging van hierdie weerstand aan die lae kant maak die grond van die kragtoevoer en die uitsetgrond anders.

Die kring dryf 'n LED wat aanskakel wanneer die konstante stroommodus aan is.

Die kring bevat die Graeth -brug om die wisselstroom -insette reg te stel. Die wisselstroomingang word ook gebruik om 'n negatiewe voorspanning op te wek om 0V te bereik.

Daar is geen termiese beskerming in hierdie stroombaan nie, dus is die afmeting van die koellichaam baie belangrik.

Die kring het 'n 24V -uitgang vir 'n 'opsionele' waaier. Ek het die 7824 -reguleerder vervang met 'n 7812 -reguleerder om 12V vir die Arduino -bord van die meterkring te kry.

Ek het nie die LED saamgestel nie, maar ek het hierdie sein gebruik om die meterkring aan te dui as die kragtoevoer in CC of CV is.

Stap 3: Montering van kragtoevoerkringstel

In hierdie kring is alle dele deur die gat. Oor die algemeen moet u met die kleinste begin.

• Soldeer al die weerstande.
• Soldeer die res van die komponente.
• Gebruik 'n tang wanneer die diodes buig, sodat dit nie breek nie.
• Buig die leidings van die DIP8 TL081 op versterkers.
• Gebruik 'n heatsink -verbinding om die heatsinks te monteer.

Stap 4: Ontwerp van meterkring en skematiese

Die kring is 'n skild vir Arduino UNO versoenbaar met R3 -weergawes. Ek het dit ontwerp met onderdele wat beskikbaar is op digikey.com.

Die uitset van die vkmaker -kragtoevoerkitstel word aan die IN -aansluitblok gekoppel en die OUT -aansluitblok gaan direk na die bindingsposte van die kragtoevoer.

R4 is 'n shuntweerstand in die positiewe spoor met 'n waarde van 0.01ohm, dit het 'n spanningsval wat eweredig is aan die huidige uitset. Die differensiële spanning R4 word direk aan RS+ en RS-penne van IC1 gekoppel. Die maksimum spanningsval by maksimum stroomuitset is 4A*0.01ohm = 40mV.

R2, R3 en C2 vorm 'n ~ 15Hz filter om geraas te vermy.

IC1 is 'n hoëversterker: MAX44284F. Dit is gebaseer op 'n gekapte operasionele versterker waarmee hy 'n baie lae insetspanning, maksimum 10uV by 25ºC kan kry. By 1mA is die spanningsval in R4 10uV, gelyk aan die maksimum insetspanning.

Die MAX44284F het 'n spanningsversterking van 50V/V, sodat die uitgangsspanning, SI -sein, by die maksimum stroom van 4A, 2V sal waardeer.

Die maksimum ingangsspanning van die gewone modus van MAX44284F is 36V, dit beperk die ingangsspanningsreeks tot 36V.

R1 en C1 vorm 'n filter om 10KHz en 20KHz ongewenste seine wat as gevolg van die argitektuur van die toestel kan verskyn, te onderdruk. Dit word aanbeveel op bladsy 12 van die datablad.

R5, R6 en R7 is 'n hoë -impedansspanningsverdeler van 0,05V/V. R7 met C4 vorm 'n ~ 5Hz filter om geraas te vermy. Die spanningsverdeler word na R4 geplaas om die werklike uitsetspanning na die spanningsval te meet.

IC3 is 'n operasionele versterker van MCP6061T, dit vorm 'n spanningsvolger om die spanningsverdeler met hoë impedansie te isoleer. Die maksimum insetspanning is 100pA by kamertemperatuur; hierdie stroom is weglaatbaar vir die impedansie van die spanningsverdeler. By 10mV is die spanning by die ingang van IC3 0.5mV, baie groter as die ingangsspanning: maksimum 150uV.

Die uitset van IC3, SV -sein, het 'n spanning van 2V by 40V ingangsspanning (die maksimum moontlike is 36V as gevolg van IC1). SI- en SV -seine word aan IC2 gekoppel. IC2 is 'n MCP3422A0, 'n dubbele kanaal I2C sigma delta ADC. Dit het 'n interne spanningsverwysing van 2.048V, 'n kiesbare spanningsversterking van 1, 2, 4 of 8V/V en 'n kiesbare getal van 12, 14, 16 of 18bits.

Vir hierdie kring gebruik ek 'n vaste versterking van 1V/V en 'n vaste resolusie van 14bits. SV- en SI -seine is nie differensiaal nie, dus moet die negatiewe pen van elke invoer gegrond wees. Dit beteken dat die aantal beskikbare LSB's die helfte gaan wees.

Aangesien die interne spanningsverwysing 2,048V is en die effektiewe getal LSB 2^13 is, sal die ADC -waardes wees: 2LSB per 1mA in die geval van stroom en 1LSB per elke 5mV in die geval van spanning.

X2 is die aansluiting vir die AAN drukknop. R11 verhoed dat die ingang van die Arduino-pen van statiese ontladings kom en R12 is 'n optrekweerstand wat 5V maak as dit nie ingedruk word nie en ~ 0V wanneer dit ingedruk word. I_ON sein.

X3 is die aansluiting vir die OFF -drukknop. R13 verhoed dat die ingang van die Arduino-pen deur statiese ontlading kom, en R14 is 'n optrekweerstand wat 5V maak as dit nie ingedruk word nie en ~ 0V wanneer dit ingedruk word. I_OFF sein.

X5 is die aansluiting vir die potensiaalmeter vir die oorstroombeskerming. R15 verhoed dat die Arduino -invoerpen statiese ontladings kry en R16 verhoed dat die +5V -spoor 'n kortsluiting veroorsaak. A_OC sein.

X6 is die aansluiting vir die potensiaalmeter vir die oorspanningsbeveiliging. R17 verhoed dat die Arduino -invoerpen statiese ontladings kry en R18 verhoed dat die +5V -spoor van 'n kortsluiting kom. A_OV sein.

X7 is 'n eksterne ingang wat gebruik word om die konstante stroom of die konstante spanningsmodus van die kragtoevoer te kry. Omdat dit baie ingangsspannings kan hê, word dit gemaak met behulp van Q2, R19 en R20 as 'n spanningsvlakverskakelaar. I_MOD sein.

X4 is die aansluiting van die eksterne LCD, dit is slegs 'n verbinding van die 5V-spoor-, GND- en I2C SCL-SDA-lyne.

I2C -lyne, SCL en SDA, word gedeel deur IC2 (die ADC) en die eksterne LCD, dit word met R9 en R10 opgetrek.

R8 en Q1 vorm die bestuurder van die K1 -aflos. K1 verbind die uitgangsspanning wanneer dit aangedryf word. Met 0V in -CUT is die relais sonder krag, en met 5V in -CUT word die relais aangedryf. D3 is die vrye wiel -diode om negatiewe spannings te onderdruk tydens die afsny van die spanning van die relais spoel.

Z1 is 'n tydelike spanningsonderdrukker met 'n nominale spanning van 36V.

Stap 5: Meter Circuit PCB

Ek het die gratis weergawe van Eagle gebruik vir beide die skematiese en die PCB. Die printplaat is 1,6 dik dubbelzijdig ontwerp met 'n aparte grondvlak vir die analoogkring en die digitale stroombaan. Die ontwerp is redelik eenvoudig. Ek het 'n dxf -lêer van die internet gekry met die dimensie vir die uiteensetting en die posisie van die Arduino -speldkopverbindings.

Ek plaas die volgende lêers:

• Oorspronklike arendlêers: 00002A.brd en 00002A.sch.
• Gerber -lêers: 00002A.zip.
• En die BOM (Bill Of Materials) + monteergids: BOM_Assemby.pdf.

Ek het die PCB bestel by PCBWay (www.pcbway.com). Die prys was ongelooflik laag: $ 33, ingesluit gestuur, vir 10 borde wat binne minder as 'n week aangekom het. Ek kan die oorblywende borde met my vriende deel of dit in ander projekte gebruik.

Daar is 'n fout in die ontwerp; ek het 'n aanraking gemaak met die syskerm in die 36V -legende.

Stap 6: Monteer die stroombaan

Alhoewel die meeste dele SMT in hierdie bord is, kan dit met 'n gewone soldeerbout gemonteer word. Ek het 'n Hakko FX888D-23BY, 'n fyn pincet, 'n bietjie soldeerstrook en 'n 0,02 soldeer gebruik.

• Nadat ek die onderdele ontvang het, is die beste idee om dit te sorteer, ek het kondensators en weerstande gesorteer en die sakke vasgemaak.
• Monteer eers die klein dele, begin met weerstande en kapasitors.
• Monteer R4 (0R1) wat begin met een van die vier leidings.
• Soldeer die res van die dele, in die algemeen vir SOT23, SOIC8, ens. Die beste manier is om eers soldeer in een stuk te smeer, soldeer die deel op sy plek en soldeer dan die res van die leidings. Soms kan soldeersel baie pads saamvoeg, in hierdie geval kan u vloeibare en soldeerstrook gebruik om die soldeer te verwyder en die gapings skoon te maak.
• Monteer die res van die deurkomponente.

Stap 7: Arduino -kode

Ek het die lêer DCmeter.ino aangeheg. Die hele program is ingesluit in hierdie lêer, afgesien van die LCD -biblioteek “LiquidCrystal_I2C”. Die kode is baie aanpasbaar, veral die vorm van vorderingsbalke en die boodskappe wat vertoon word.

Soos alle arduino -kodes, word die opset () -funksie die eerste keer uitgevoer en die lus () -funksie word voortdurend uitgevoer.

Die opstelfunksie stel die skerm, insluitend die spesiale tekens vir die voortgangsbalk, in die MCP4322 -staatsmasjien en stel die relais en die LCD -agtergrond vir die eerste keer op.

Daar is geen onderbrekings nie; in elke herhaling doen die lusfunksie die volgende stappe:

Kry die waarde van al die insetseine I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV en I_MOD. I_ON, en I_OFF word ontbloot. A_OC en A_OV word direk uit die Arduino se ADC gelees en gefiltreer met behulp van die mediaan gedeelte van die laaste drie metings. I_MOD word direk gelees sonder om terug te spring.

Beheer die aanskakeltyd van die agtergrond.

Voer die staatsmasjien MCP3422 uit. Elke 5 ms gaan dit na die MCP3422 om te sien of die laaste omskakeling klaar is, en as dit die volgende is, begin die waarde van spanning en stroom agtereenvolgens by die uitset.

As daar nuwe waardes van uitgangsspanning en stroom van die MCP3422 -staatsmasjien is, werk die status van die kragtoevoer op grond van die metings by en werk die skerm op.

Daar is 'n dubbele buffer -implementering om die skerm vinniger by te werk.

Die volgende makros kan aangepas word vir ander projekte:

MAXVP: Maksimum OV in 1/100V eenhede.

MAXCP: Maksimum OC in 1/1000A eenhede.

DEBOUNCEHARDNESS: Aantal iterasies met 'n opeenvolgende waarde om te raai dat dit korrek is vir I_ON en I_OFF.

LCD4x20 of LCD2x16: Opstel vir 4x20 of 2x16 skerm, die 2x16 opsie is nog nie geïmplementeer nie.

Die 4x20 -implementering toon die volgende inligting: In die eerste ry is die uitsetspanning en die uitsetstroom. In die tweede ry 'n vorderingsbalk wat die uitsetwaarde verteenwoordig ten opsigte van die beskermingsinstelpunt vir beide spanning en stroom. Int die derde ry die huidige setpoint vir beskerming teen oorspanning en oorstroom. In die vierde ry die huidige status van die kragtoevoer: CC AAN (Aan in konstante stroommodus), CV AAN (Aan in konstante spanningsmodus), UIT, OV UIT (Af wat toon dat die kragtoevoer afgegaan het as gevolg van 'n OV), OC OFF (Uit wat aandui dat die kragtoevoer afgegaan het as gevolg van 'n OC).

Ek het hierdie lêer vir die ontwerp van die tekens van die vorderingsbalke gemaak:

Stap 8: Termiese probleme

Die gebruik van die regte koellichaam is baie belangrik in hierdie samestelling, omdat die kragtoevoerstroom nie self beskerm is teen oorverhitting nie.

Volgens die datablad het die 2SD1047-transistor 'n aansluiting by termiese weerstand van geval Rth-j, c = 1,25ºC/W.

Volgens hierdie webrekenaar: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi … is die termiese weerstand van die koellichaam wat ek gekoop het Rth-hs, lug = 0.61ºC/W. Ek neem aan dat die werklike waarde laer is omdat die koellichaam aan die omhulsel geheg is en die hitte ook so kan verdwyn.

Volgens die eBay -verkoper is die termiese geleidingsvermoë van die isolatorblad wat ek gekoop het, K = 20,9W/(mK). Hiermee, met 'n dikte van 0,6 mm, is die termiese weerstand: R = L/K = 2,87e-5 (Km2)/W. Dus, die termiese weerstandskas vir die koellichaam van die isolator vir die 15 mm x 15 mm oppervlak van die 2SD1047 is: Rth-c, hs = 0.127ºC/W. U kan 'n gids vir hierdie berekeninge hier vind:

Die maksimum toelaatbare krag vir 150ºC in die aansluiting en 25ºC in die lug is: P = (Tj-Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, air + Rth-c, hs) = (150-25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63W.

Die uitgangsspanning van die transformator is 21VAC by volle las, wat gemiddeld 24VDC is na diodes en filter. Die maksimum verspreiding sal dus P = 24V * 3A = 72W wees. Aangesien die termiese weerstand van die koellichaam 'n bietjie laer is as gevolg van die verspreiding van die metaalomhulsel, het ek aangeneem dat dit genoeg is.

Stap 9: Omhulsel

Die omhulsel, insluitend gestuur, is die duurste deel van die kragtoevoer. Ek het hierdie model op eBay gevind, van Cheval, 'n Thay -vervaardiger: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. Die eBay -verkoper was eintlik van Thailand.

Hierdie boks het 'n baie goeie waarde vir geld en kom redelik goed verpak.

Stap 10: Meganisering van die voorpaneel

Die beste opsie om die voorpaneel te meganiseer en te graveer, is om 'n router soos hierdie https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k… te gebruik, of om 'n pasgemaakte plastiekbedekking met PONOKO te maak. Maar omdat ek nie die router het nie en nie baie geld wou spandeer nie, het ek besluit om dit op die ou manier te maak: sny, sny met lêer en gebruik oordragbriewe vir die teks.

Ek het 'n Inkscape -lêer aangeheg met die stensil: frontPanel.svg.

• Sny die stensil.
• Bedek die paneel met skilderband.
• Plak die stensil aan die skilderband vas. Ek het 'n gomstok gebruik.
• Merk die posisie van oefeninge.
• Boor gate sodat die fretsaag of die saaglem in die interne snitte kan kom.
• Sny al die vorms.
• Sny met 'n lêer. In die geval van ronde gate vir potensiometers en bindpale, is dit nie nodig om die saag te gebruik voordat dit ingedien word nie. In die geval van die vertoongat moet die afsny van lêers die beste moontlik wees, want hierdie rande sal gesien word.
• Verwyder die stensil en die skilderband.
• Merk die posisie van die tekste met 'n potlood.
• Dra die letters oor.
• Verwyder die potloodmerke met 'n uitveër.

Stap 11: Meganisering van rugpaneel

• Merk die posisie van die koellichaam, insluitend die gat vir die kragtransistor en die posisie van die houskroewe.
• Merk die gat vir toegang tot die koellichaam vanuit die binnekant van die kragtoevoeromhulsel; ek het die isolator as verwysing gebruik.
• Merk die gat vir die IEC -aansluiting.
• Boor die kontoer van die vorms.
• Boor die gate vir die skroewe.
• Sny die vorms met 'n tang.
• Sny die vorms met 'n lêer.

Stap 12: Monteer die voorpaneel

• Trek 'n multigeleierkabel uit afval om kabels te kry.
• Bou die LCD -samestelling wat die I2C aan 'n parallelle koppelvlak soldeer.
• Bou die "molex -aansluiting", draad en krimpbare buiseenheid vir: potensiometers, drukknoppies en LCD. Verwyder enige uitsteeksel in potensiometers.
• Verwyder die wyserring van die knoppe.
• Sny die staaf van potensiometers in die grootte van die knop. Ek het 'n stuk karton as 'n meter gebruik.
• Heg die drukknoppies en die aan / uit -knoppie aan.
• Monteer die potensiometers en installeer die knoppe, die multiturn -potensiometers wat ek gekoop het, het 'n ¼ duim as en die een draai modelle het 'n 6 mm as. Ek het wassers as afstandhouers gebruik om die afstand van potensiometers af te sny.
• Skroef die bindpale vas.
• Plaas dubbelzijdige band in die LCD en plak dit op die paneel vas.
• Soldeer die positiewe en negatiewe drade aan die bindpale.
• Monteer die GND -terminale lug in die groen bindpaal.

Stap 13: Monteer die agterpaneel

• Skroef die heatsink aan die agterpaneel vas, alhoewel verf 'n termiese isolator is, het ek 'n heatsink -vet gesit om die hitte -oordrag van die heatsink na die omhulsel te verhoog.
• Monteer die IEC -aansluiting.
• Plaas die kleefafstandhouers met behulp van die stroomtoevoerstelkring.
• Skroef die kragtransistor en die isolator vas; daar moet termiese vet op elke oppervlak wees.
• Monteer die 7812 om die arduino aan te dryf; dit kyk na die omhulsel om hitte af te lei, met behulp van een van die skroewe wat die koellichaam hou. Ek moes 'n plastiese wasser soos hierdie gebruik het https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Transistor-…, maar ek het uiteindelik dieselfde isolator as die kragtransistor en 'n gebuigde stuk van die omhulsel gebruik.
• Dra die kragtransistor en die 7812 na die kragtoevoerkring.

Stap 14: Finale vergadering en bedrading

• Merk en boor die gate vir die transformator.
• Monteer die transformator.
• Plak die kleefpote van die omhulsel vas.
• Plak die DC -meterkring vas met kleefafstandhouers.
• Skraap die verf om die GND -lug vas te skroef.
• Bou die netspanningsdraadsamestellings, al die aansluitings is 3/16”Faston. Ek het 'n krimpbare buis gebruik om die eindes te isoleer.
• Sny die voorste deel van die houer van die omhulsel aan die regterkant om plek te kry vir die kragknoppie.
• Verbind alle drade volgens die monteergids.
• Installeer die lont (1A).
• Stel die uitgangspanningspotensiometer (die VO -potensiometer) tot die minimum CCW en pas die uitgangsspanning so na as moontlik aan nul volt aan met behulp van die multiturn fyn verstelpotensiometer van die vkmaker kragtoevoer kring.
• Monteer die omhulsel.

Stap 15: Verbeterings en verdere werk

Verbeterings

• Gebruik wassers in die kwekery om te voorkom dat skroewe loskom as gevolg van vibrasie, veral die vibrasie van die transformator.
• Verf die voorpaneel met deursigtige vernis om te voorkom dat letters uitgewis word.

Verdere werk:

• Voeg 'n usb-aansluiting soos volg by: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… in die agterpaneel. Nuttig vir die opgradering van kode sonder demontage of om 'n klein ATE te maak wat die aan -funksies beheer, status kry en met behulp van 'n rekenaar.
• Maak die 2x16 LCD -samestelling van die kode.
• Maak 'n nuwe kragtoevoer in plaas van die vkmaker -kit, met digitale beheer van die uitgangsspanning en stroom.
• Doen die nodige toetse om die kragtoevoer te kenmerk.

Eerste prys in die kragvoorsieningswedstryd