Mi az, amire minden elektrotechnikával foglalkozó egyénnek szüksége lehet, függetlenül attól, hogy egy a szakmában dolgozó professzionális mérnökről, vagy a témával csak hobbi szinten foglalkozó emberről beszélünk? Nem, nem a multiméterre gondolok. Na jó, arra is szükség van… A helyes válasz ez esetben a labortápegység lesz! 5V, 3.3V, 12V vagy esetleg egy negatív feszültségforrás mondjuk egy műveleti erősítős kapcsoláshoz?
Innen szép nyerni – vagyis így kezdtem az építést
Magam sem tudom megszámolni eddig hány alkalommal kellett a próbapanelen összeállított kapcsolásomhoz egy stabilizált feszültségforrást is összetákolni, ugyancsak próbapanelen. Mondjuk egy LM317-el, ha esetleg változtatható feszültségforrásra volt szükségem. Mindezt egy agyonhasznált, itt-ott kontakthibás próbapanel segítségével, amiből mindenfelé vezetékek lógnak ki, tovább növelve az asztalomon lévő káoszt. Na ezt elégeltem meg, amikor is azt mondtam magamnak, innentől minden elektronikai projektet hanyagolok, és helyettük egy olyannal kezdek el foglalkozni, ami utána az összes többi projektemhez segítség lesz majd.
Az álom labortápegység
Ebben a cikkben röviden bemutatom az általam készített labortápot, melyben egy elektromos terhelés funkció mellett sok egyéb rendeltetés is helyet kapott.
A táp paramétereinek és funkcióinak meghatározásánál igyekeztem figyelembe venni az eddigi projekteket és az esetleges jövőbeli projektek által támasztott követelményeket is. Ezek nagy vonalakban a következők lettek:
- a tápegység legyen lineáris
- legyen digitális (szoftveresen fejleszthető)
- egyszerűen kezelhető, intuitív (végül egyetlen enkóderrel vezérelhető)
- rendelkezzen áramkorláttal
- a feszültségállítás 0V-tól induljon
- fix +5V-os kimenet (a változtatható kimeneten kívül)
- USB +5V kimenet (extraként)
- rendelkezzen valamilyen fix negatív feszültség-kimenettel (pl. műveleti erősítős kapcsolásokhoz)
- a kimeneti feszültségérzékelés (Vsense) külön kivezetése az előlapon
- elektromos terhelés (dummy-load) funkció
Az egészhez az alapokat Dave Jones Lab Power Supply Design című videósorozata adta. Ő egy ausztráliai (Australia! Not Austria!) youtuber, aki immár sokadik éve keresi a kenyerét elektronikai témájú videóblogolással. Az előbbi linkre kattintva elérheted az említett videósorozatot, és ha eddig még nem tetted volna meg, akkor javasolnám a feliratkozás gomb használatát is a YouTube csatornáján.
A labortápegység terve
Nagy vonalakban az én megoldásom is a képen látható alapkapcsolásra épít, ahol az áramkorlátot és a feszültségállítást is műveleti erősítőkkel valósítottam meg:
A kapcsolás első részében – a fenti képen kiemelve – a sönt ellenálláson eső feszültséget egy, a mikrovezérlőtől érkező I-SET PWM jellel (amit az R55-C41, és R56-C42 RC szűrők alakítanak analóg jellé) hasonlítjuk össze az IC8D komparátor segítségével, aminek a kimenete az IC6 (LM317) feszültségszabályozó ADJ lábát vezérli. A szürkén maradt műveleti erősítős blokk a feszültség beállításáért felel. Alant ez látható:
A feszültségállításért felelős részt IC9B valósítja meg, ami egy klasszikus, nem invertáló műveleti erősítős kapcsolás. Ez negatív visszacsatolással feszültségerősítést valósít meg. A mikrovezérlő felől érkező V-SET PWM jelet az R50-C37, R51-C38 RC szűrők alakítják analóg jellé. Ez egy 5 voltos mikrovezérlő esetén értelemszerűen 0-5V között lehet, amit IC9B alakít -2V – +26V tartományba, mellyel IC6 ADJ lábát vezéreljük.
A negatív feszültségkimenetre azért van szükség, mert az LM317 feszültségszabályozó IC rendelkezik egy belső ~1.25 Voltos feszültség-referenciával, ami miatt az ADJ lábát közvetlenül a földre kötve az OUT kimenete nem tud ezen érték alá menni. Én viszont 0V-ra leszabályozható tápegységet akartam.
Milyen funkciók mentek bele?
Az elektromos terhelés is egy hasznos funkció, például tápegységek paraméterezésénél. Segítségével 0-1A közötti terhelést kapcsolhatunk a vizsgálandó áramkörre, amit néhány milliamperes felbontással állíthatunk. Ennek kapcsolási rajza pedig a következő:
Itt IC1A műveleti erősítő, annak működési elvéből adódóan mindent megtesz annak érdekében, hogy az invertáló bemenetén lévő feszültség megegyezzen a nem invertáló bemeneten lévő E-SET feszültséggel. Például, ha az E-SET-en lévő feszültséget 1 Voltra állítottuk be, a műveleti erősítő (visszacsatolás segítségével) úgy vezérli Q1-et, hogy annak emitterén is 1 Volt legyen. Ohm törvénye alapján pedig, ami ugye I=U/R, ha egy 1Ω-os ellenálláson 1 Volt feszültség esik, akkor a rajta folyó áram 1 Amper kell legyen.
IC1B pedig ezt a 0-1 Volt közötti feszültséget, ami köszönhetően az 1Ω-os ellenállásnak, azonos a rajta keresztül folyó áramerősséggel (tehát 0-1 Amper), egy 4.2-szeres feszültségerősítéssel 0V – 4.2V tartományba emeli. Itt a feszültségerősítést (Gain) az Av=1+(R3/R2) képlet adja meg. Erre azért van szükség, hogy a mikrovezérlő segítségével megmérhessük a terhelésen valójában keresztülfolyó áramot. Vagyis a terhelés beállított maximális értéke mellett, a T2-re csatlakoztatott áramkör által leadott áramot is kiírhatjuk.
A labortápegység belbecse mellett azért fontos a külcsín is – az egyszerű kezelhetőségért
A mikrovezérlőnek egy ATmega 328P-t választottam, ami a 32 kB program-memóriájával bőven elégnek bizonyult. A chip OptiBoot bootloadert kapott. Hogy a tápot a ház felnyitása nélkül is kényelmesen programozni tudjam (vagy akár számítógépről vezérelni), hagyományos tüskesor csatlakozókkal kivezettem a mikrovezérlő TX, RX és RESET lábait, amire egy PL2303 USB-Soros átalakítót kötöttem. Ezeket a kész modulokat olyan kedvező áron lehet beszerezni, hogy nem is igazán éri meg külön FTDI chippel szöszmötölni. Ennek USB csatlakozóját egy rövid (kb. 15cm-es) USB toldó kábellel vezettem ki a táp hátuljára.
A kijelző egy 4×20 karakteres kék LCD lett I2C illesztővel, melyen a szükséges információk épp elférnek.
A táp kezelése pofonegyszerű, mivel mindössze egyetlen enkódert kell hozzá használni, igaz, az nyomógombként is működik. Röviden megnyomva lépdelhetünk a beállítani kívánt paraméterek között: feszültség, áramkorlát, elektromos terhelés maximális árama. Hosszan nyomva tartva a forgatógomb érzékenységén változtathatunk (Hi / Lo), a kiválasztott paraméter értékét pedig az enkóder elforgatásával változtathatjuk meg. Mint mondtam, tényleg egyszerű.
Az LM317 feszültségszabályozó IC-nek a stabil működéshez szüksége van egy minimális terhelésre a kimeneten (IO(min)), ami az adatlap szerint ~3.5mA. Én hasonlóan az elektromos terhelés kapcsolásához, műveleti erősítő segítségével egy másik, 10mA-es konstans áramú terhelést illesztettem a feszültségszabályozó kimenetére:
A beépítésre került transzformátor 24VA-s. Erről a negatív feszültséget egyenirányítás, szűrés és pufferelés után egy 7910-es feszültségszabályozó IC korlátozza -10V-ra, mely negatív tápfeszültség az előlapon kivezetésre került. Ez például műveleti erősítős kapcsolások tesztelésekor lehet hasznos.
A feszültségszabályozó IC-k, illetve az elektromos terhelést megvalósító TIP41C tranzisztor hűtéséről a táp felső részébe csavarozott 3-4mm vastagságú, 15x13cm nagyságú (újrahasznosított 
) alumínium lap gondoskodik. Ott, ahol a doboz felső részében is szükség volt a helyre, például a kijelző felett, igyekeztem az alumínium lapot nem levágni, csak visszahajtani, ezzel is növelve a hűtőborda felületét. Nos ennek látványa nem lett valami szép, de szerencsére nem kell folyton ezt bámulnunk:
Az utolsó simítások
Az előlapra tervezett grafika csak teszt jelleggel került fel, ám miután a táp fő funkciói már működtek, rögtön használatba is vettem. Így a további fejlesztések itt elmaradtak. Ez a grafika a toner-transzferes nyákgyártásra is használt lézernyomtatóval készült, fotópapírra, melyet utána lamináltam. Sajnos a sok szétszerelés és összerakás következtében a fólia a széleken elkezdett elválni, de ez csak tovább növeli a táp értékét.
A konstans áram módba való belépésről egy nagy fényerejű, lapos homlokú, piros LED gondoskodik, ami a neki fehéren hagyott fotópapíron kiválóan átvilágít. A fotópapír ez esetben kiváló diffúzorként funkcionál, így szép egyenletes, nem vakító, de szembetűnő a LED felvillanása.
Összegezve: egy könnyen vezérelhető, utólag bővíthető labortápegység volt a vágyam, és e tekintetben a fent bemutatott darab nekem tökéletesen bevált. A rengeteg funkciója tényleg hasznos tud lenni (a számítógépes vezérelhetőség még mindig tartogat kiaknázatlan lehetőségeket). Természetesen azt nem állítom, hogy ez egy tökéletes és hibátlan labortáp lenne, voltak tervezésbeli gondok is. A mellékelt kapcsolási rajz is tartalmaz néhány hibát, melyek megtalálását azonban a kedves olvasóra bízom.
További képeket a galériában találsz, melyet a fenti képek némelyikére vagy akár ide kattintva is elérsz.
Ez pedig az elérhető kapcsolási rajz, PDF formátumban: 
Kapcsolási rajz letöltése
Comments are closed.