Все специалисты по разработке и ремонту электронных устройств и радиолюбители используют в своей работе лабораторный блок питания. Будь то сложный с программируемым управлением или совсем простой, но он в любом случае выполняет одну и ту же функцию – выдаёт регулируемый ток и напряжение. В интернете существует много статей и видеоматериалов о том как своими руками собрать собственный лабораторный блок питания. Но зачастую, эти лабораторные блоки питания построены либо на китайских готовых компонентах, либо на деталях из старых неработоспособных приборов. Разработка лабораторного блока питания на основе микроконтроллера подразумевает создание регулируемого источника питания с использованием микроконтроллера для выполнения дополнительных функций.
Лабораторным блоком питания называется прибор, который предназначен для формирования регулируемого напряжения или тока по одному или нескольким каналам. Лабораторный блок питания содержит дисплей, элементы управления, защиту от неправильного использования, а также полезные дополнительные функции.
Источники питания бывают двух типов: первичные источники питания и вторичные источники питания. Первичные источники электропитания преобразуют неэлектрические виды энергии в электрическую. Примеры первичных источников: электрическая батарейка, солнечная батарея, ветрогенератор и другие. Вторичные источники электропитания преобразуют один вид электрической энергии в другой для обеспечения необходимых параметров напряжения, тока, частоты, пульсаций и т.д. Примеры вторичных источников питания: трансформатор, AC/DC преобразователь (например, компьютерный блок питания), DC/DC преобразователь, стабилизатор напряжения и т.д. Питание широко используемых электронных устройств и бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется в основном вторичными источниками питания, преобразующими энергию переменного тока с номиналами напряжения 5, 9, 12, 15 и 27 В.
Лабораторный блок питания — это одна из разновидностей вторичного источника электропитания. Разновидности и главные характеристики лабораторных блоков питания:
- по принципу работы: линейные или импульсные,
- диапазон напряжения и тока: фиксированный или с автоматическим ограничением мощности,
- количество каналов: одноканальные или многоканальные,
- изоляция каналов: с гальванически изолированными каналами или с неизолированными,
- по мощности: стандартные или большой мощности,
- наличие защиты: от перегрузки по напряжению, по току, от перегрева и другие,
- форма выходного сигнала: постоянное напряжение и ток или переменное напряжение и ток,
- варианты управления: только ручное управление или ручное плюс программное управление,
- дополнительные функции: компенсация падения напряжения в проводах подключения, встроенный прецизионный мультиметр, изменение выхода по списку заданных значений, активация выхода по таймеру, имитация аккумулятора с заданным внутренним сопротивлением, встроенная электронная нагрузка и другие,
- надёжность: качество элементной базы, продуманность дизайна, тщательность выходного контроля.
Наиболее распространенные требования предъявляемые к блокам питания используемым при проектировании цифровых устройств:
- напряжение от 0 до 15 В,
- максимальный ток нагрузки до 1 А,
- установка защиты по превышению тока от 0 до 1А,
- удобство эксплуатации,
- удобство ремонта и регулировки.
Проанализировав параметры наиболее популярных лабораторных блоков питания, выводим средние показатели:
- максимальная мощность: 95,8 Вт,
- максимальное напряжение: 39,4 В,
- максимальный ток: 3,3 А,
- количество каналов: 1,
- масса: 6,9 кг.
Микроконтроллер в блоке питания служит дополнительной защитой от короткого замыкания. Именно он, в реальном времени, следит за значениями выходного тока. Если этот показатель превысит заданную максимальную величину он примет защитные меры, а именно: немедленно выключит ЦАП путём обнуления регистра порта РС, а также проинформирует пользователя миганием светодиода. Напряжение на выходных клеммах будет снято – нагрузка отключена. В этом состоянии блок питания может находиться неограниченное время. Для возобновления подачи напряжения достаточно выставить необходимое выходное напряжение. При превышении указанных режимов защита автоматически сработает опять. Также микроконтроллер может служить таймером для блока питания, позволяющий отключать выходное напряжение по истечении заданного отрезка времени или издавать звуковой сигнал. В разработанном лабораторном блоке питания микроконтроллер выполняет функции:
- вывод значений преобразователя,
- регулировка значений непосредственно через микроконтроллер,
- стабилизация напряжения,
- защита от короткого замыкания.
За основу лабораторного блока питания был взят регулируемый понижающий преобразователь на микросхеме LM2596.
Для подачи питания на разработанный лабораторный блок будет использоваться блок питания на 24 В
Питание для микроконтроллера было решено сделать отдельно. Поэтому для питания микроконтроллера будет использована батарея «Крона» с выходным напряжением 9 Вт, и входной разъём для неё. Учитывая, что Ардуино Нано питается от 5 до 12 В, батарея «Крона» будет отличным вариантом. Для удобства управления питания будут использованы два выключателя, для лабораторного блока питания и для микроконтроллера. Для изменения напряжения и тока на преобразователе будут использоваться два цифровых потенциометра. Так как регулировка напряжения и тока будет проводится непосредственно через микроконтроллер потребуются три тактовые кнопки. Микроконтроллером будет Arduino Nano на процессоре ATmega328T.
Для вывода информации Arduino Nano потребуется дисплей, был выбран жидкокристаллический дисплей 16:2.
Для вывода напряжения будет использован удобный быстрозажимной аудио порт:
Соединим все необходимые элементы
После пайки, сборки и проверки на работоспособность лабораторного блока питания были проведены тесты.
Внешний вид собранного лабораторного блока питания изображен на рисунке ниже.
Так как для разработки лабораторного блока питания был использован блок питания на 24 В, а напряжение которое можно подать на преобразователь от 10 до 40 В, то была составлена таблица характеристик разработанного лабораторного блока питания с разным входным напряжением. Тестирование проводилось с тремя блоками питания с разными выходными напряжениями, на 12 В, 19В и на 24В.
Таблица с результатами тестирований разработанного блока питания
| Входное напряжение | Выходное напряжение | Выходной ток | Мощность | КПД |
| 12 В | 12 В | 3 А | 36 Вт | 70% |
| 19 В | 19 В | 3 А | 56 Вт | 75% |
| 24 В | 24 В | 3 А | 72 Вт | 95% |