Блок живлення з програмним керуванням

Для реалізації автоматизованих лабораторних вимірювань як у науковій так і в навчальній діяльності використовуються блоки живлення з можливістю програмного керування, що дозволяє створювати багатофункціональні лабораторні комплекси за допомогою ПК. Існують як окремі автономні прилади, так і модулі, які не мають власної панелі керування і можуть працювали лише через програмний додаток з ПК. Загальний недолік такого обладнання – доволі значна вартість. В даній роботі наведена реалізація блоку живлення з цифровим керуванням на основі популярної та доступної елементної бази, що дозволить створити відносно недорогий та компактний прилад.

Для побудови блоку живлення з регулюванням напруги в діапазоні 0…25 В використаємо лінійний стабілізатор напруги, щоб отримати низький рівень пульсацій на виході блоку.

Напруга на виході лінійного стабілізатора визначається сумою опорної напруги U_ref та напруги на керуючому вході U_adj. Тобто опорна напруга визначає мінімально можливе значення вихідної напруги. Для лінійного стабілізатора LM317 U_ref = 1,25 В [1]. Можливий діапазон зміни вихідної напруги даного стабілізатора складає 1,25…37 В.

Для можливості регулювання напруги від 0 до максимального значення (приймаємо 25 В), необхідно напругу керуючого входу змістити на відповідний від’ємний потенціал –U_ref. Це можливо зробити за допомогою схеми складання-віднімання на операційному підсилювачі (DA3, рис. 1). На додатній вхід для можливості програмного керування будемо подавати напругу пропорційну ЦАП (kU_DAC), а на інверсний вхід – опорну напругу U_ref. Останню можна отримати за допомогою іншого стабілізатора LM317, керуючий вхід якого буде під’єднаний до нульового потенціалу (DA1, рис. 1).

Рисунок 1 – Схема цифрового керування лінійним стабілізатором

Якщо резистори дільників схеми складання-віднімання будуть однаковими (R3 = R4  = R5 = R6), то напруга на керуючому вході стабілізатора:

а загальна напруга на виході лінійного стабілізатора:

тобто пропорційна лише напрузі ЦАП і відповідно мінімальне значення на виході лінійного стабілізатора U_out = 0 В.

Для реалізації дії віднімання зі зменшенням потенціалу необхідно організувати двополярне живлення операційного підсилювача: +30 В, –5 В. Від’ємний потенціал можна реалізувати за допомогою мікросхеми перетворювача напруги LM2664, яка інвертує вхідну напругу зі струмом навантаження до 40 мА [2].

Як ЦАП оберемо мікросхему MCP4725, яка використовує напругу живлення +5 В, як опорну. Тоді максимальне значення з виходу ЦАП буде 5 В. Отже необхідно збільшити це значення до максимальної напруги виходу блоку живлення до 25 В.

Оскільки то необхідний коефіцієнт посилення:

Застосуємо схему неінвертуючого підсилювача на операційному підсилювачі DA2 (рис. 1) з коефіцієнтом підсилення за напругою: k = 1 + R2 / R1.

Оберемо R1 = 10 кОм, тоді: R2 = R1(k – 1) =10(5 – 1) = 40 кОм.

Оберемо значення з ряду Е24: R2 = 39 кОм. Тоді перерахований коефіцієнт підсилення:

Мікросхема MCP4725 – це 12 бітний ЦАП з кількістю рівнів дискретизації N = 2¹² = 4096. Тоді крок дискретизації за напругою:

де U_VCC = 5 В – опорна напруга ЦАП, що збігається з напругою живлення мікросхеми.

Значення дискретного рівня, що розраховується в мікроконтролері для подачі до ЦАП:

Тоді дискретність зміни напруги на виході (n = 1) становить:

Для ефективної роботи лінійного стабілізатора необхідно підтримувати допустимий тепловий режим. Для цього скористаємося наступним способом: будемо підтримувати мінімально можливу різницю напруг між входом і виходом мікросхеми лінійного стабілізатора ΔU_LDO = U_IN – U_OUT при будь якій напрузі виходу U_OUT [3].  Величину мінімального падіння напруги для працездатного стану мікросхеми можна визначити за графіками з технічної документації. Так при максимальному струмі 1,5 А та діапазоні температур 0…125 °С падіння напруги становить не більше 2,3 В, отже приймаємо з запасом U_LDO = 2,5 В.

Підлаштовувати вхідну напругу лінійного стабілізатора до рівня U_IN = U_OUT + ΔU_LDO будемо за допомогою імпульсного стабілізатора XL4005. Останній входить у режим стабілізації напруги при наявності в вході FB напруги U_{FB ST} = 0,8 В.

Падіння напруги на лінійному стабілізаторі отримаємо за допомогою схеми складання-віднімання на операційному підсилювачі DA6 (рис. 2). На додатній вхід подається напруга U_IN, а на від’ємний – напруга U_OUT.

де

Рисунок 2 – Схема для зниження напруги на лінійному стабілізаторі

Тоді необхідно, щоб при різниці ΔU_LDO = U_IN – U_OUT = 2,5 В на виході операційного підсилювача напруга відповідала значенню стабілізації  U_{FB ST} = 0,8 В. Виходячи з цього отримуємо співвідношення:

Звідки: R10 = R9 ∙ ΔU_LDO / U_FBST .

Приймемо R9 = R12 = 100 кОм, тоді  R10 = R11 = 100 ∙ 2,5 / 0,8 = 312,5 кОм. Оберемо з ряду Е24 R10 = R11 = 300 кОм. Тоді імпульсний стабілізатор буде підтримувати падіння напруги на лінійному стабілізаторі на рівні:

що перевищує мінімально допустиме значення на 0,1 В.

Загальна синтезована схема наведена на рис. 3. На схемі не показаний LC фільтр, який необхідно встановити після виходів 3, 6 імпульсного стабілізатора DA5. Відповідно до наведених позначень прийняті наступні параметри елементів: R1 = 10 кОм, R2 = 39 кОм, R3 = R4  = R5 = R6 = 10 кОм, R7 = R8 = 240 Ом, R9 = R12 = 100 кОм, R10 = R11 = 300 кОм.

Рисунок 3 – Загальний вигляд схеми

Поєднання комбінації лінійного стабілізатора напруги з імпульсним стабілізатором дозволяє отримати блок живлення з низьким рівнем пульсацій та високим ККД. Результати розрахунків підтверджуються частковим моделюванням у середовищі Electronics Workbench.

Посилання

1. LM317 3-Terminal Adjustable Regulator. SLVS044Y. Texas Instrument, 2020. 31 р.
2. LM2664 Switched Capacitor Voltage Converter. SNVS005E. Texas Instrument, 2014. 22 р.
3. 75 Watt, Single-Output Benchtop Power Supply. Circuit Note. CN-0508. Analog Devices, 2020. 8 р.

---

---