Fonte de alimentação linear controlada digital: 6 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Nos meus dezesseis anos, cerca de 40 anos atrás, criei uma fonte de alimentação linear dupla. Eu peguei o diagrama esquemático de uma revista chamada ‘Elektuur’, hoje em dia chamada ‘Elektor’ na Holanda. Esta fonte de alimentação usava um potenciômetro para ajuste de tensão e outro para ajuste de corrente. Depois de muitos anos, esses potenciômetros não funcionavam mais corretamente, o que tornava difícil obter uma tensão de saída estável. Esta fonte de alimentação é mostrada na imagem.

Nesse ínterim, comecei a desenvolver software embarcado como parte do meu hobby, usando o microcontrolador PIC e a linguagem de programação JAL. Como ainda quero usar minha fonte de alimentação - sim, você pode comprar variantes de switch mode mais baratas hoje em dia - tive a ideia de substituir os potenciômetros antigos por uma versão digital e assim nasceu um novo projeto PIC.

Para ajustar a tensão da fonte de alimentação, estou usando um microcontrolador PIC 16F1823 que usa 6 botões como segue:

• Um botão para ligar ou desligar a tensão de saída sem a necessidade de ligar ou desligar completamente a fonte de alimentação
• Um botão para aumentar a tensão de saída e outro botão para diminuir a tensão de saída
• Três botões para serem usados como predefinição. Depois de definir uma certa tensão de saída, essa tensão exata pode ser armazenada e recuperada usando esses botões predefinidos

A fonte de alimentação é capaz de gerar uma tensão entre 2,4 volts e 18 volts com uma corrente máxima de 2 amperes.

Etapa 1: O Projeto Inicial (revisão 0)

Fiz algumas modificações no diagrama esquemático original para torná-lo adequado para controlá-lo com o potenciômetro digital. Como nunca usei o potenciômetro original para o ajuste de corrente no passado, removi-o e substituí-o por um resistor fixo, limitando a corrente máxima a 2 Amperes.

O diagrama esquemático mostra a fonte de alimentação, construída em torno do antigo, mas confiável, regulador de tensão LM723. Também criei uma placa de circuito impresso para ele. O LM723 tem uma tensão de referência compensada por temperatura com um recurso de limitação de corrente e uma ampla faixa de tensão. A tensão de referência do LM723 vai para o potenciômetro digital do qual o limpador está conectado à entrada não inversora do LM723. O potenciômetro digital tem um valor de 10 kOhm e pode ser alterado de 0 Ohm a 10 kOhm em 100 etapas usando uma interface serial de 3 fios.

Esta fonte de alimentação tem um voltímetro e amperímetro digital que recebe sua energia de um regulador de voltagem de 15 volts (IC1). Este 15 Volt também é usado como entrada para o regulador de tensão de 5 Volt (IC5) que alimenta o PIC e o potenciômetro digital.

O transistor T1 é usado para desligar o LM723, o que traz a tensão de saída para 0 Volt. O resistor de potência R9 é usado para medir a corrente, causando uma queda de tensão sobre o resistor quando a corrente flui por ele. Esta queda de tensão é usada pelo LM723 para limitar a corrente de saída máxima a 2 Amperes.

Neste projeto inicial o Capacitor Eletrolítico e o Transistor de Potência (tipo 2N3055) não estão na placa. Em meu projeto original de muitos anos atrás, o capacitor eletrolítico estava em uma placa separada, então eu o mantive. O transistor de potência é montado em uma placa de resfriamento fora do gabinete para melhor resfriamento.

Os botões estão no painel frontal do gabinete. Cada botão é puxado para cima pelos resistores 4k7 na placa. Os botões são conectados ao aterramento, o que os torna ativos em baixo.

Você precisa dos seguintes componentes eletrônicos para este projeto (também ver revisão 2):

• 1 microcontrolador PIC 16F1823
• 1 potenciômetro digital de 10k, tipo X9C103
• Reguladores de tensão: 1 * LM723, 1 * 78L15, 1 * 78L05
• Retificador de ponte: B80C3300 / 5000
• Transistores: 1 * 2N3055, 1 * BD137, 1 * BC547
• Diodos: 2 * 1N4004
• Capacitores eletrolíticos: 1 * 4700 uF / 40V, 1 * 4,7 uF / 16V
• Capacitores de cerâmica: 1 * 1 nF, 6 * 100 nF
• Resistores: 1 * 100 Ohm, 1 * 820 Ohm, 1 * 1k, 2 * 2k2, 8 * 4k7
• Resistência de potência: 0,33 Ohm / 5 Watt

Eu também projetei uma placa de circuito impresso que é mostrada na captura de tela e na imagem em anexo.

Etapa 2: O Design Revisado (revisão 2)

Depois de ter encomendado as placas de circuito impresso, tive a ideia de adicionar um recurso que chamo de "proteção de tensão". Como eu ainda tinha muita memória de programa disponível no PIC, decidi usar o conversor analógico para digital (ADC) integrado do PIC para medir a tensão de saída. No caso desta tensão de saída - por qualquer motivo - aumentar ou diminuir, a fonte de alimentação é desligada. Isso protegerá o circuito conectado contra sobretensão ou interromperá qualquer curto-circuito. Esta foi a revisão 1, que é uma extensão da revisão 0, o design inicial.

Embora eu tenha testado o design usando uma placa de ensaio (veja a imagem), ainda não fiquei feliz com ele. Às vezes parecia que o potenciômetro digital nem sempre estava exatamente na mesma posição, por ex. ao recuperar um valor predefinido. A diferença era pequena, mas preocupante. Não é possível ler o valor do potenciômetro. Depois de pensar um pouco, criei uma revisão 2 que é um pequeno redesenho da revisão 1. Neste projeto, consulte a revisão do diagrama esquemático 2, eu não usei um potenciômetro digital, mas usei o Conversor Digital para Analógico (DAC) integrado do PIC para controlar a tensão de saída através do LM723. O único problema era que o PIC16F1823 só tinha um DAC de 5 bits, o que não era suficiente porque as etapas para cima e para baixo seriam muito grandes. Por causa disso, mudei para um PIC16F1765 que tem um DAC de 10 bits na placa. Esta versão com o DAC era confiável. Eu ainda poderia usar a placa de circuito impresso inicial, pois só preciso remover alguns componentes, substituir 1 capacitor e adicionar 2 fios (1 fio já foi necessário para adicionar o recurso de detecção de tensão da revisão 1). Eu também mudei o regulador de 15 volts para uma versão de 18 volts para limitar a dissipação de energia. Veja o diagrama esquemático da revisão 2.

Então, se você quiser ir para este projeto, você precisa fazer o seguinte em comparação com a revisão 0:

• Substitua o PIC16F1823 por um PIC16F1765
• Opcional: Substitua o 78L15 por um 78L18
• Remova o potenciômetro digital tipo X9C103
• Remova os resistores R1 e R15
• Substitua o capacitor eletrolítico C5 por um capacitor de cerâmica de 100 nF
• Faça uma conexão entre IC4 pino 13 (PIC) e IC2 pino 5 (LM723)
• Faça uma conexão entre o pino 3 do IC4 (PIC) ao pino 4 do IC2 (LM723)

Também atualizei a placa de circuito impresso, mas não encomendei esta versão, veja a imagem.

Etapa 3: (des) montagem

Na foto você vê a fonte de alimentação antes e depois da atualização. Para cobrir os furos que foram feitos pelos potenciômetros, adicionei um painel frontal em cima do painel frontal do gabinete. Como você pode ver, eu fiz uma fonte de alimentação dupla, onde as duas fontes são completamente independentes uma da outra. Isso torna possível colocá-los em série caso eu precise de uma tensão de saída superior a 18 volts.

Devido à placa de circuito impresso foi fácil montar a eletrônica. Lembre-se de que o grande capacitor eletrolítico e o transistor de potência não estão na placa de circuito impresso. A foto mostra que para a revisão 2 alguns componentes não são mais necessários e foram necessários 2 fios um para adicionar o recurso de detecção de tensão e outro devido à substituição do potenciômetro digital pelo Conversor Digital para Analógico do microcontrolador PIC.

Claro que você precisa de um transformador que seja capaz de fornecer 18 volts CA, 2 amperes. Em meu projeto original, usei um transformador de núcleo em anel porque eles são mais eficientes (mas também mais caros).

Etapa 4: o software para revisão 0

O software executa as seguintes tarefas principais:

• Controlar a tensão de saída da fonte de alimentação por meio do potenciômetro digital

• Lidar com os recursos dos botões de pressão, que são:

  • Ligar / desligar. Esta é uma função de alternância que define a tensão de saída para 0 Volt ou para a última tensão selecionada
  • Tensão alta / Tensão baixa. A cada pressão no botão, a tensão sobe ou desce ligeiramente. Quando esses botões permanecem pressionados, uma função de repetição é ativada
  • Armazenamento / recuperação de predefinições. Qualquer configuração de tensão pode ser armazenada na EEPROM do PIC pressionando o botão predefinido por pelo menos 2 segundos. Pressioná-lo mais curto irá recuperar o valor EEPROM para aquele pré-ajuste e definir a tensão de saída de acordo

Ao ligar, todos os pinos do PIC são definidos como entrada. Para evitar que uma tensão indefinida esteja presente na saída da fonte de alimentação, a saída permanece em 0 Volt até que o PIC esteja funcionando e o potenciômetro digital seja inicializado. Este desligamento é obtido pelo resistor pull-up R14, que garante que o transistor T1 desligue o LM723 até que seja liberado pelo PIC.

O resto do software é direto para a frente. Os botões são digitalizados e se algo precisa ser alterado, o valor do potenciômetro digital é alterado usando uma interface serial de três fios. Observe que o potenciômetro digital também tem uma opção para armazenar a configuração, mas isso não é usado, pois todas as configurações são armazenadas na EEPROM do PIC. A interface com o potenciômetro não oferece um recurso para ler o valor do limpador de volta. Portanto, sempre que o limpador precisar ser predefinido para um determinado valor, a primeira coisa a fazer é colocar o limpador de volta na posição zero e, a partir desse ponto, enviar o número de etapas para colocar o limpador na posição correta.

Para evitar que a EEPROM seja gravada a cada pressionamento de um botão e, assim, diminuindo a vida útil da EEPROM, o conteúdo da EEPROM é gravado 2 segundos após os botões não serem mais ativados. Isso significa que após a última troca dos botões de pressão, certifique-se de esperar pelo menos 2 segundos antes de desligar a alimentação para ter certeza de que a última configuração foi armazenada. Quando ligada, a fonte de alimentação sempre iniciará com a última tensão selecionada armazenada na EEPROM.

O arquivo de origem JAL e o arquivo Intel Hex para programar o PIC para a revisão 0 estão anexados.

Etapa 5: o software para a revisão 2

Para a revisão 2, as principais mudanças no software são as seguintes:

• O recurso Detecção de tensão foi adicionado medindo a tensão de saída da fonte de alimentação depois de configurada. Para isso é utilizado o conversor ADC do PIC. Usando o ADC, o software coleta amostras da tensão de saída e se, após algumas amostras, a tensão de saída for cerca de 0,2 Volt mais alta ou mais baixa do que a tensão definida, a fonte de alimentação é desligada.
• Usando o DAC do PIC para controlar a tensão de saída da fonte de alimentação em vez de usar um potenciômetro digital. Essa alteração simplificou o software, pois não houve a necessidade de criar a interface de 3 fios para o potenciômetro digital.
• Substitua o armazenamento em EEPROM por armazenamento em Flash de alta resistência. O PIC16F1765 não tem EEPROM a bordo, mas usa uma parte do programa Flash para armazenar informações não voláteis.

Observe que a detecção de tensão não é ativada inicialmente. Ao ligar, os seguintes botões são verificados para serem pressionados:

• Botão liga / desliga. Se pressionado, ambos os recursos de detecção de tensão são desligados.
• Botão para baixo. Se pressionado, a detecção de baixa tensão é ativada.
• Botão para cima. Se pressionado, a detecção de alta tensão é ativada.

Essas configurações de detecção de tensão são armazenadas no Flash de alta resistência e são recuperadas quando a fonte de alimentação é ligada novamente.

O arquivo fonte JAL e o arquivo Intel Hex para programar o PIC para a revisão 2 também estão anexados.

Etapa 6: o resultado final

No vídeo você vê a revisão 2 da fonte de alimentação em ação, ela mostra o recurso ligar / desligar, aumentar / diminuir a tensão e o uso dos presets. Para esta demonstração eu também conectei um resistor à fonte de alimentação para mostrar que a corrente real está fluindo através dela e que a corrente máxima é limitada a 2 Amperes.

Se você estiver interessado em usar o microcontrolador PIC com JAL - uma linguagem de programação semelhante ao Pascal - visite o site da JAL.

Divirta-se tornando este Instructable e aguardando suas reações e resultados.