edw_2003_02_s51.pdf

sterowany

komputerowo

2 6 5 5

Do czego to służy?

Zasilaczy na łamach EdW było już wiele –

isłusznie. Jest to bowiem jeden z najbardziej

niezbędnych przyrządów w pracowni elek-

tronika. Zbigniew Raabe powiedział kiedyś

przy opisie takowego, że koncepcji budowy

zasilaczy jest tyle, ilu jest na świecie elektro-

ników. Na różne okazje potrzebne są różne

zasilacze. Poza tym wiem z doświadczenia,

że dobrych zasilaczy nigdy za wiele. Dziś ja

chciałbym zaproponować Czytelnikom bu-

dowę niecodziennego zasilacza sieciowego,

przydatnego zwłaszcza przy pracy nad ukła-

dami mającymi współpracować z kompute-

rem czy też wszelkimi systemami mikropro-

cesorowymi. Gdy pracujemy nad takim ukła-

dem, cały czas używamy komputera – zwy-

kle budowa części sprzętowej jest prosta lub

wręcz banalna, a cały trud polega na napisa-

niu programu dla mikrokontrolera lub PC-ta.

Do zasilania wykorzystujemy jakiś zasilacz,

ale rzadko bywa tak, że jest on pod ręką

i wszelkie manipulacje przy nim są utrudnio-

ne. Zwłaszcza w sytuacji, gdy „pracownia”

elektronika hobbysty to skromny stolik mo-

gący pomieścić komputer, opracowywany

układ, parę narzędzi i ... niewiele więcej. Za-

silacz stoi wtedy gdzieś w rogu lub wetknię-

ty jest w nie zawsze wygodnie położone

gniazdko. Pomyślałem, że byłoby czymś nie-

zwykle wygodnym mieć dostęp do zasilacza

z poziomu komputera PC. Chcemy zaprogra-

mować procka (bez ISP) lub dokonać zmian

wukładzie – jedno kliknięcie i zasilacz jest

wyłączony, możemy bez obaw wyjąć układ

z podstawki. Po dokonaniu zmian klikamy

iukład jest znów zasilany. Chcemy zmienić

napięcie – klikamy na odpowiedni przycisk

i ... no, myślę że wystarczy już tej wyliczan-

ki i Czytelnicy zgodzą się ze mną, jak uży-

teczny może być taki niezwykły zasilacz.

Oprócz możliwości zmiany napięć oferuje on

stałą kontrolę napięcia wyjściowego, które

obrazowane jest na „wyświetlaczu” w głów-

nym oknie programu. Wynik aktualizowany

jest ok. 5 razy na sekundę. Model wyposaży-

łem w niewielki transformator TS6/40 z my-

ślą o zastosowaniu go do zasilania głównie

układów mikroprocesorowych i cyfrowych

nie czerpiących prawie nigdy więcej niż

300...500mA prądu. Nic nie stoi jednak na

przeszkodzie, aby zastosować większy trans-

formator i duży radiator na układzie LM317

– taki zasilacz mogący dostarczyć prądu po-

nad 1A sprosta chyba wszystkim wymaga-

niom jakie napotka w pracowni niejednego

elektronika.

Jak to działa?

Schemat ideowy układu przedstawiony jest

na rysunku 1 . Pomimo dość dużej liczby

elementów sposób funkcjonowania zasilacza

jest w sumie bardzo prosty. Komunikuje się

Rys. 1 Schemat ideowy

Elektronika dla Wszystkich

Zasi lacz

on z komputerem za pomocą portu szerego-

wego, którym może być dowolny z portów

COM1...COM4 (jest wybierany przy urucho-

mieniu programu w PC-cie). Do konwerto-

wania napięć w jedną stronę wykorzystałem

zwykły wzmacniacz operacyjny TL081. Pra-

cuje on tu w roli komparatora, a do jego zasi-

lania użyte są linie RTS i DTR, na które

w chwili otwarcia portu podawane są prze-

ciwne stany. Konwersję w drugą stronę za-

pewnia prosty bufor z tranzystorem T1.

Działanie całości jest następujące: przez cały

czas (co ok. 200ms) procesor U2 wysyła do

komputera informację o napięciu wyjścio-

wym. Robi to „na ślepo”, nie zastanawiając

się, czy została odebrana, czy nie. Informację

tę uzyskuje za pośrednictwem, ośmielę się

użyć tego słowa, rewelacyjnego układu U3

typu LM331. Pracuje on w typowej aplikacji

przetwornika U/F z wyjątkiem włączenia re-

zystorów R13 i R14 zamiast jednego rezysto-

ra na wejściu. Tworzą one dzielnik przez dwa,

potrzebny ze względu na fakt, że zakres do-

puszczalnych napięć wejściowych tej kostki

wynosi w przybliżeniu 0...Uzas-2V, co przy

Uzas=15V daje wartości 0...13V. To stanow-

czo za mało. Dzięki R13 i R14 możliwe jest

mierzenie napięć z zakresu ok. 0...25V, co jest

wręcz idealne w naszym zastosowaniu. War-

tości tych rezystorów zostały zgodnie z prostą

zasadą Thevenina dobrane tak, aby układ U3

„widział” rezystor o zalecanej wartości mniej

więcej równej 100kΩ. Choć w modelu uży-

łem zamiennika kostki LM331 o nieco gor-

szych parametrach – układu XR4151 – uzy-

skane wyniki i tak przeszły moje oczekiwa-

nia, mogę z czystym sumieniem polecić ten

układ wszystkim jako alternatywne rozwiąza-

nie przetwornika analogowo-cyfrowego. Po

szczegóły odsyłam do EdW12/2000 i 1/2001

oraz na stronę internetową EdW – są tam no-

ty aplikacyjne wymienionych układów.

Współczynnik przetwarzania wynosi

1kHz/V, a więc napięcie wyjściowe zasilacza

w woltach jest dwukrotnie (dzielnik) większe

od częstotliwości przebiegu na nóżce 3 U3

wyrażonej w kilohercach. Jest to wyjście ty-

pu otwarty kolektor, co załatwiło problem

z dopasowaniem napięć ze strefy 15V do

5V . Procesor (za pomocą pozostałego Time-

ra0 – Timer1 wytwarza baudrate dla portu)

mierzy czas trwania 50 okresów tego prze-

biegu i wysyła wynik (najpierw starszy a po-

tem młodszy bajt Timera0) przez port szere-

gowy. Następnie czeka 200ms, znowu mie-

rzy i wysyła - i tak w kółko. Nie interesuje go

przy tym, czy dane zostały odebrane – opisa-

na transmisja ma miejsce stale, nawet bez

względu na to, czy port jest otwarty, czy nie.

Komputer może te liczby odebrać i zinterpre-

tować lub zignorować – wedle „uznania”. Je-

śli program Zasilacz.exe jest uruchomiony

i port jest otwarty, przychodząca informacja

jest przez komputer przetwarzana z uwzglę-

dnieniem dzielnika przez dwa, liczby mie-

rzonych okresów oraz długości trwania okre-

su zegara w procesorze (ok. 1,085µs). Wynik

trafia na „wyświetlacz”. Tak wygląda komu-

nikacja w kierunku procesor - komputer.

W drugą stronę jest ciekawiej, bo przesy-

łanych jest kilka rodzajów informacji. Rysu-

nek 2 zawiera przykładowy zrzut z ekranu

głównego okna programu Zasilacz.exe.

jeśli pierwszą instrukcją programu w proce-

sorze byłoby podanie na linię P1.3...P1.6 sta-

nów niskich, to i tak przez krótki czas byłyby

tam stany wysokie, a to spowodowałoby wy-

stąpienie na wyjściu zasilacza przez mniej

więcej ten czas maksymalnego możliwego do

uzyskania z danym transformatorem napię-

cia. Układ U8 zapobiega wystąpieniu takiego

niekorzystnego zjawiska – tuż po włączeniu

zasilacza na wyjściu pojawia się ok. 1,4V.

Po wciśnięciu przycisku ON zasilacz jest

włączany. Komputer otwiera port, po czym

wysyła liczbę 15 (włącz 1,4V na wyjściu)

oraz liczbę 176 odpowiadającą rozkazowi 11

i argumentowi 0. Ponowne wciśnięcie tego

przycisku wyłączy zasilacz - zaowocuje mia-

nowicie wysłaniem liczby 15, potem 208

(rozkaz 13) i zamknięciem portu. Skąd takie

dziwne liczby? A no z nikąd – ich wartość

jest zupełnie nieistotna, ważne żeby były uni-

kalne. Jeśli procesor odbierze liczbę 176, to

podaje na nóżkę P3.7 stan niski, jeśli 208 –

stan wysoki. A do portu P3.7 ... nic nie jest

podłączone! Jedynie napis REL sugeruje, że

chodzi o jakiś przekaźnik. Dlaczego jednak

nie ma go na schemacie i płytce drukowanej?

Otóż na tym etapie projektowania zasilacza

powstał mały dylemat. Nasz zasilacz trzeba

jakoś włączać iwyłączać, ściślej – dołączać

iodłączać od niego zasilany układ. W najpros-

tszym przypadku można by realizować wyłą-

czanie, podając po prostu na wyjście naj-

mniejsze z możliwych napięć, co zresztą jest

czynione. Zgodzicie się jednak wszyscy, że

uznanie urządzenia, na którym występuje na-

pięcie sporo ponad 1V, za odłączone od zasi-

lacza jest grubą przesadą. Nasuwa się więc

użycie przekaźnika włączonego w obwód

wyjścia zasilacza. Popularne przekaźniki

przeznaczone do pracy przy napięciu sieci

230V nie są dobrym rozwiązaniem, bo czer-

pią zwykle 50...150mA. Najlepszy byłby

przekaźnik małosygnałowy ze względu na

dużą rezystancję cewki, a co za tym idzie –

mały pobór prądu. Jednak przekaźniki takie

cechują się zadziwiającym wręcz zróżnico-

waniem rozkładów wyprowadzeń i ich liczbą.

Poza tym z doświadczenia wiem, że są one

znacznie trudniej dostępne niż ich duzi kole-

dzy, zwłaszcza w niewielkich sklepach elek-

tronicznych w małych miastach. Gdybym

więc zastosował jakiś konkretny typ lub na-

wet dodał w miarę uniwersalne miejsce na

płytce, to i tak istniałoby wiele typów wręcz

idealnie się tu nadających pod względem pa-

rametrów, które trzeba by wlutować „na dru-

tach” lub na oddzielnej płytce. Ostatecznie

uznałem, że na płytce drukowanej zasilacza

nie będzie przekaźnika. Konkretny typ jaki

zastosujecie należy zamontować na niewiel-

kim kawałku płytki uniwersalnej wraz z tran-

zystorem (-ami) sterującym i (koniecznie!)

diodą likwidującą przepięcia. Na płytce są

stosowne punkty do pobrania napięć

5V i 15V oraz punkt REL. Przykładowo

Rys. 2 Główne okno programu

Zasilacz.exe

Obecny jest na nim wspomniany wyświe-

tlacz, 9 przycisków służących do wyboru na-

pięć, przycisk on/off, mały checkbox oraz

oczywiście help i about. Do czego służy ów

checkbox wyjaśnię później, teraz jedynie

przepraszam obrońców ojczyzny - polszczy-

zny, ale taki termin chyba najlepiej oddaje

pełnioną funkcję („miejsce służące zaznacze-

niu pewnej opcji” lub coś podobnego mało

mnie pociąga) – dla równowagi w helpie (ha!

znów angielskie określenie) użyłem niezbyt

trafnego słowa „opcja”. To samo dotyczy

użytego wcześniej określenia baudrate. Wci-

śnięcie jednego z przycisków wyboru napięć

lub włącznika/wyłącznika powoduje wysłanie

przez komputer jednego bajtu, w którym

starsza połówka stanowi rozkaz mówiący

procesorowi co ma zrobić, a młodsza to argu-

ment tego rozkazu. Procesor U2 odbiera ten

bajt w procedurze obsługi przerwania

UART-a i - zależnie od jego wartości - odpo-

wiednio reaguje. Jeśli zmieniamy napięcie

wyjściowe, rozkaz wynosi zero a argument

określa, które napięcie wybieramy i przyjmu-

je wartości od 6 (napięcie numer 9 – regulo-

wane P10) do 14 (napięcie numer 1 regulo-

wane P2). Wysłanie liczby 15 powoduje po-

łączenie nóżki ADJ układu U1 z masą, oczy-

wiście przez jeden z tranzystorów układu U4.

Powoduje to podanie na wyjście zasilacza

najmniejszego możliwego napięcia, z więk-

szością kostek 74LS145 równego ok.

1,4V (1,25V + napięcie kolektor-emiter tran-

zystora). Jak widać, liczby 14...6 są dokład-

nym zanegowaniem liczb 1...9. Jest tak ze

względu na obecność w zasilaczu bramek

zukładu U8. Wielu zapyta, po co zastosowa-

łem tę kostkę, skoro negacja ta jest tu zupeł-

nie niepotrzebna, a nawet gdyby była po-

trzebna, to z dziecinną łatwością można ją

zrealizować programowo? Otóż po włącze-

niu urządzenia do sieci układ U2 jest reseto-

wany, co jak wiadomo, powoduje podanie na

wszystkie porty stanów wysokich. Nawet

Elektronika dla Wszystkich

– w modelu zastosowałem tani (2,50PLN)

i prosty przekaźnik JZC pobierający przy no-

minalnym napięciu 12V prąd 30mA. Nie jest

to może element o jakichś rewelacyjnych pa-

rametrach, ale nadaje się tu całkiem nieźle.

Jest zasilany z wyjścia 15V poprzez szerego-

wą diodę LED, co daje na cewce przekaźni-

ka napięcie troszkę ponad 12V. Diodę można

przy okazji wykorzystać w roli kontrolki.

Sterowanie odbywa się za pomocą dwóch

tranzystorów NPN włączonych jeden za dru-

gim w konwencji wspólnego emitera. W ob-

wodzie kolektora drugiego z nich jest przeka-

źnik i dioda. Pierwszy pełni rolę bufora mię-

dzy dwiema strefami napięć (5V – 15V) oraz

inwertera – dzięki niemu przekaźnik jest włą-

czany, gdy na P3.7 panuje stan niski, a nie

wysoki. Dysponując przekaźnikiem na

5V wystarczy tu jeden typowo włączony

tranzystor PNP.

No cóż – omówienie programu rozpoczą-

łem niejako od końca. Nie wspomniałem

oważnym zjawisku mającym miejsce zaraz

po jego uruchomieniu – o skanowaniu wyj-

ścia zasilacza. Skanowanie służy umieszcze-

niu na przyciskach odpowiadających im

wartości napięć. Polega ono na tym, że kom-

puter wybiera kolejne napięcia (1...9) i - po

odczekaniu chwili na ich ustalenie się - od-

czytuje ich wartości, które następnie umie-

szcza na przyciskach. Użytkownik widzi

wtedy małe okienko z paskiem postępu sy-

gnalizującym zaawansowanie skanowania.

Proces może być wkażdej chwili przerwany,

ale nie w połowie kroku. Dzięki skanowaniu

przy starcie programu informacja na przyci-

skach jest zawsze aktualna. Choć trwa ono

ok. 5s, nie jest uciążliwe, gdyż występuje je-

den jedyny raz po uruchomieniu. Jeśli pod-

czas korzystania z zasilacza okno programu

jest chwilowo niepotrzebne, nie należy go

zamykać, tylko zmi-

nimalizować – dwu-

krotne kliknięcie na

ikonkę w Trayu na-

tychmiast je przy-

wraca. Samo skano-

wanie nie jest w ża-

den sposób niebez-

pieczne dla układu

dołączonego do za-

silacza o ile zastosu-

jemy przekaźnik na

jego wyjściu. Jednak

znajdą się pewnie ta-

cy, którzy go nie za-

stosują, zdając się na

własną pamięć, aby

podczas skanowania

nie pozostawiać

żadnych urządzeń

podłączonych do za-

silacza. Ponieważ

pamięć ludzka jest

zawodna, przed roz-

poczęciem tego procesu ukazuje się ostrze-

żenie, mające na celu ustrzec ich przed skut-

kami pomyłki. Przy zastosowaniu przeka-

źnika ostrzeżenie to tylko niepotrzebnie de-

nerwowałoby użytkownika – w takim przy-

padku należy je wyłączyć, zwierając do ma-

sy nóżkę 14 procesora U2 (P1.2). Nie pole-

cam takich praktyk, gdy w układzie przeka-

źnika nie ma. Obecność przekaźnika jest

niemal obowiązkowa.

Na koniec wyjaśnienie funkcji małego

checkboksu znajdującego się po lewej stronie

panelu z przyciskami. Jego zaznaczenie

znacznie ułatwia proces regulacji zasilacza –

sprawia, że po wybraniu któregokolwiek

z napięć wartość poprzednio ustawionego na-

pięcia kopiowana jest na odpowiadającym

mu przycisku. Dzięki temu bez konieczności

ponownego skanowania widać, które napię-

cia są już wyregulowane, a które jeszcze nie.

Podczas normalnej pracy opcja ta powinna

być odznaczona, gdyż jedynie przeszkadza-

łaby, fałszując napisy przy szybkim przełą-

czaniu napięć. Przyczyną jest niezbyt duża

szybkość zmian napięcia na wyjściu U1 po

skokowej zmianie rezystancji pomiędzy koń-

cówką ADJ a masą.

wości należy wybrać potencjometr o ma-

łej wartości w porównaniu ze współpracują-

cym rezystorem (zwiększy to precyzję regu-

lacji), aby tylko suma ich rezystancji gwaran-

towała uzyskanie potrzebnego napięcia. Dla

leniwych w wykazie podaję wyliczone war-

tości dla kilku popularnych napięć ustawio-

nych w modelu.

Uruchomienie sprowadza się do wyregu-

lowania przetwornika U/F za pomocą helitri-

ma P1. W tym celu należy uruchomić pro-

gram Zasilacz.exe – po skanowaniu na przy-

ciskach pojawią się przypadkowe wartości.

Na dowolnym kanale trzeba ustawić napięcie

ok. 20V lub inne będące w okolicy najwięk-

szego napięcia jakie chcemy uzyskać z na-

szego zasilacza (ostatecznie może to być

wręcz dowolne stosunkowo spore napięcie -

liniowość LM331 okaże się i tak wystarcza-

jąco dobra).

Ciąg dalszy na stronie 57.

Wykaz elementów

Rezystory:

R1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200 Ω

R2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .240 Ω

R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .560 Ω

R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .680 Ω

R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k Ω

R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,5k Ω

R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2k Ω

R8,R9,R10 . . . . . . . . . . . . . . . .dobrać zależnie od potrzeb

R11,R17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100k Ω

R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6,81k Ω 1%

R13,R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220k Ω

R15,R16,R18 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22k Ω

R19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12k Ω

P1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .helitrim 5k

P2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 Ω PR

P3,P4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 Ω PR

P5,P6,P7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .470 Ω PR

P8,P9,P10 . . . . . . . . . . . .PR (dobrać zależnie od potrzeb)

Kondensatory:

C1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2200 µ F/25V

C2,C3,C13,C16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF

C4,C9,C10,C14,C15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 µ F/25V

C5,C6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 µ F MKT

C7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10nF MKT

C8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2,2 µ F/16V

C11,C12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33pF

C17 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 µ F/16V

Półłprzewodniki:

D1...D4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148

M1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .mostek 1,5A

T1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548B

U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM317T

U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89C2051

U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM331 (‘4151)

U4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74LS145

U5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .TL081

U6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7815

U7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7805

U8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4011

Inne:

X1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11,0592MHz

CON1,CON2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ARK2

CON3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .DB9F

Montaż i uruchomienie

Schemat montażowy znajduje się na rysun-

ku 3 . Sam montaż jest typowy. Kolejność

jest właściwie dowolna, najlepiej rozpocząć

go od zworek i podstawek pod układy scalo-

ne. Zależnie od wartości napięć jakie chcemy

uzyskać, należy wlutować rezystory

R2...R10 i potencjometry P2...P10 o odpo-

wiednich wartościach, zgodnie z prostym

wzorem: Uwy=1,25V*(Q/200R + 1) ;

Rn+Pn>Q>Rn ; n=2,...,10. W miarę możli-

Rys. 3 Schemat montażowy

Komplet podzespołłów z płłytkąą

jest dostęępny w sieci handlowej AVT

jako kit szkolny AVT-2655.

Elektronika dla Wszystkich

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: