Superbe alimentation de laboratoire : 15 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

De mon point de vue, l'une des meilleures façons de se lancer dans l'électronique est de construire votre propre alimentation de laboratoire. Dans ce instructable, j'ai essayé de rassembler toutes les étapes nécessaires pour que n'importe qui puisse construire le sien.

Toutes les pièces du montage sont directement commandables en digikey, ebay, amazon ou aliexpress sauf le circuit compteur. J'ai fait un blindage de circuit de compteur personnalisé pour Arduino capable de mesurer jusqu'à 36V - 4A, avec une résolution de 10mV - 1mA qui peut également être utilisé pour d'autres projets.

L'alimentation a les caractéristiques suivantes:

• Tension nominale: 24V.
• Courant nominal: 3A.
• Ondulation de la tension de sortie: 0,01 % (selon les spécifications du kit de circuit d'alimentation).
• Résolution de mesure de tension: 10mV.
• Résolution de mesure actuelle: 1mA.
• Modes CV et CC.
• Protection contre les surintensités.
• Protection de survoltage.

Étape 1: Pièces et schéma de câblage

En plus de l'image, j'ai joint le fichier WiringAndParts.pdf à cette étape. Le document décrit toutes les parties fonctionnelles, y compris le lien de commande, de l'alimentation de banc et comment les connecter.

La tension secteur arrive via un connecteur de panneau IEC (10) qui a un support fusible intégré, il y a un interrupteur d'alimentation dans le panneau avant (11) qui coupe le circuit formé entre le connecteur IEC et le transformateur (9).

Le transformateur (9) délivre 21VAC. Le 21 VAC va directement au circuit d'alimentation (8). La sortie du circuit d'alimentation (8) va directement à la borne IN du circuit de compteur (5).

La borne OUT du circuit du compteur (5) est connectée directement aux bornes positive et négative (4) de l'alimentation. Le circuit du compteur mesure à la fois la tension et le courant (côté haut) et peut activer ou désactiver la connexion entre l'entrée et la sortie.

Câbles, en général, utilisez des câbles de rebut que vous avez chez vous. Vous pouvez vérifier sur Internet le calibre AWG approprié pour 3A mais, en général, la règle du pouce de 4A/mm² fonctionne, spécialement pour les câbles courts. Pour le câblage de la tension secteur (120V ou 230V), utilisez des câbles isolés de manière appropriée, 600V aux USA, 750V en Europe.

Le transistor passe série du circuit d'alimentation (Q4) (12) a été câblé au lieu d'être soudé pour permettre une installation facile du dissipateur (13).

Les potentiomètres 10K d'origine du circuit d'alimentation ont été remplacés par des modèles multitours (7), ce qui permet un réglage précis de la tension et du courant de sortie.

La carte arduino du circuit du compteur est alimentée à l'aide d'un câble jack d'alimentation (6) qui provient du circuit d'alimentation (8). La carte d'alimentation a été modifiée pour obtenir 12V au lieu de 24V.

La broche positive de la LED CC du circuit d'alimentation est câblée au connecteur de mode du circuit du compteur. Cela lui permet de savoir quand afficher le mode CC ou CV.

Il y a deux boutons câblés au circuit du compteur (3). Le bouton Off "rouge" déconnecte la tension de sortie. Le bouton On "noir" connecte la tension de sortie et réinitialise les erreurs OV ou OC.

Il y a deux potentiomètres câblés au circuit du compteur (2). L'un définit le seuil OV et l'autre définit le seuil OC. Ces potentiomètres n'ont pas besoin d'être multitours, j'ai utilisé les potentiomètres d'origine du circuit d'alimentation.

L'écran LCD alphanumérique I2C 20x4 (1) est câblé au circuit du compteur. Il affiche les informations actuelles sur la tension de sortie, le courant de sortie, le point de consigne OV, le point de consigne OC et l'état.

Étape 2: Kit de circuit d'alimentation

J'ai acheté ce kit qui est évalué à 30V, 3A:

Je joins un guide de montage que j'ai trouvé sur Internet et une image du schéma. Brièvement:

Le circuit est une alimentation linéaire.

Q4 et Q2 sont un réseau Darlington et forment le transistor passe série, il est contrôlé par les amplificateurs opérationnels pour maintenir la tension et le courant à la valeur souhaitée.

Le courant est mesuré par R7, l'ajout de cette résistance dans le côté bas rend la masse du circuit d'alimentation et la masse de sortie différentes.

Le circuit pilote une LED qui s'allume lorsque le mode courant constant est activé.

Le circuit intègre le pont de Graeth pour rectifier l'entrée CA. L'entrée AC est également utilisée pour générer une tension de polarisation négative pour atteindre 0V.

Il n'y a pas de protection thermique dans ce circuit, donc un dimensionnement approprié du dissipateur est très important.

Le circuit a une sortie 24V pour un ventilateur "en option". J'ai remplacé le régulateur 7824 par un régulateur 7812 pour obtenir 12V pour la carte Arduino du circuit du compteur.

Je n'ai pas assemblé la LED, j'ai plutôt utilisé ce signal pour indiquer au circuit du compteur si l'alimentation est en CC ou en CV.

Étape 3: Assemblage du kit de circuit d'alimentation

Dans ce circuit, toutes les pièces sont traversantes. En général, vous devez commencer par les plus petits.

• Soudez toutes les résistances.
• Soudez le reste des composants.
• Utilisez des pinces lorsque vous pliez les fils des diodes pour éviter de les casser.
• Pliez les fils des amplis op DIP8 TL081.
• Utilisez un composé pour dissipateur thermique lors de l'assemblage des dissipateurs thermiques.

Étape 4: Conception et schéma du circuit du compteur

Le circuit est un shield pour Arduino UNO compatible avec les versions R3. Je l'ai conçu avec des pièces disponibles sur digikey.com.

La sortie du kit de circuit d'alimentation vkmaker est connectée au bornier IN et le bornier OUT va directement aux bornes de raccordement de l'alimentation.

R4 est une résistance shunt dans le rail positif d'une valeur de 0,01ohm, elle a une chute de tension proportionnelle au courant de sortie. La tension différentielle R4 est câblée directement aux broches RS+ et RS- de IC1. La chute de tension maximale à la sortie de courant maximale est de 4A*0,01ohm = 40mV.

R2, R3 et C2 forment un filtre ~15Hz pour éviter le bruit.

IC1 est un amplificateur de courant côté haut: MAX44284F. Il est basé sur un amplificateur opérationnel haché qui lui permet d'obtenir une très faible tension de décalage d'entrée, 10uV au maximum à 25ºC. A 1mA, la chute de tension dans R4 est de 10uV, égale à la tension de décalage d'entrée maximale.

Le MAX44284F a un gain de tension de 50V/V donc la tension de sortie, le signal SI, au courant maximum de 4A, aura une valeur de 2V.

La tension d'entrée maximale en mode commun du MAX44284F est de 36 V, ce qui limite la plage de tension d'entrée à 36 V.

R1 et C1 forment un filtre pour supprimer les signaux indésirables 10KHz et 20KHz qui peuvent apparaître en raison de l'architecture de l'appareil, il est recommandé à la page 12 de la fiche technique.

R5, R6 et R7 sont un diviseur de tension à haute impédance de 0,05 V/V. R7 avec C4 forment un filtre ~5Hz pour éviter le bruit. Le diviseur de tension est placé après R4 pour mesurer la tension de sortie réelle après la chute de tension.

IC3 est un amplificateur opérationnel MCP6061T, il forme un suiveur de tension pour isoler le diviseur de tension à haute impédance. Le courant de polarisation d'entrée maximum est de 100pA à température ambiante, ce courant est négligeable par rapport à l'impédance du diviseur de tension. A 10mV, la tension à l'entrée de IC3 est de 0,5mV, bien supérieure à sa tension de décalage d'entrée: 150uV au maximum.

La sortie du signal IC3, SV, a une tension de 2V à une tension d'entrée de 40V (le maximum possible est de 36V en raison de IC1). Les signaux SI et SV sont câblés à IC2. IC2 est un MCP3422A0, un CAN sigma delta I2C à double canal. Il a une référence de tension interne de 2,048 V, un gain de tension sélectionnable de 1, 2, 4 ou 8 V/V et un nombre sélectionnable de 12, 14, 16 ou 18 bits.

Pour ce circuit, j'utilise un gain fixe de 1V/V et une résolution fixe de 14 bits. Les signaux SV et SI ne sont pas différentiels, la broche négative de chaque entrée doit donc être mise à la terre. Cela signifie que le nombre de LSB disponibles va être la moitié.

Comme la référence de tension interne est de 2,048V et que le nombre effectif de LSB est de 2^13, les valeurs ADC seront: 2LSB pour chaque 1mA dans le cas du courant et 1LSB pour chaque 5mV dans le cas de la tension.

X2 est le connecteur pour le bouton poussoir ON. R11 empêche l'entrée de la broche Arduino des décharges statiques et R12 est une résistance de rappel qui produit 5 V lorsqu'elle n'est pas enfoncée et ~ 0 V lorsqu'elle est enfoncée. Signal I_ON.

X3 est le connecteur pour le bouton poussoir OFF. R13 empêche l'entrée de la broche Arduino des décharges statiques et R14 est une résistance de rappel qui fait 5V lorsqu'elle n'est pas enfoncée et ~ 0V lorsqu'elle est enfoncée. Signal I_OFF.

X5 est le connecteur du potentiomètre de consigne de protection contre les surintensités. R15 empêche la broche d'entrée Arduino des décharges statiques et R16 empêche le rail +5V d'un court-circuit. Signal A_OC.

X6 est le connecteur du potentiomètre de consigne de protection contre les surtensions. R17 empêche la broche d'entrée Arduino des décharges statiques et R18 empêche le rail +5V d'un court-circuit. Signal A_OV.

X7 est une entrée externe qui est utilisée pour obtenir le mode courant constant ou tension constante de l'alimentation. Comme il peut avoir de nombreuses tensions d'entrée, il est fabriqué en utilisant Q2, R19 et R20 comme décaleur de niveau de tension. Signal I_MOD.

X4 est le connecteur de l'écran LCD externe, c'est juste une connexion du rail 5V, des lignes GND et I2C SCL-SDA.

Les lignes I2C, SCL et SDA, sont partagées par IC2 (l'ADC) et l'écran LCD externe, elles sont tirées par R9 et R10.

R8 et Q1 forment le pilote du relais K1. K1 connecte la tension de sortie lorsqu'il est alimenté. Avec 0V en -CUT, le relais n'est pas alimenté, et avec 5V en -CUT, le relais est alimenté. D3 est la diode de roue libre pour supprimer les tensions négatives lors de la coupure de la tension de la bobine du relais.

Z1 est un suppresseur de tension transitoire avec une tension nominale de 36V.

Étape 5: Circuit imprimé du compteur

J'ai utilisé la version gratuite d'Eagle pour le schéma et le PCB. Le PCB est de conception double face d'une épaisseur de 1,6 qui a un plan de masse séparé pour le circuit analogique et le circuit numérique. La conception est assez simple. J'ai obtenu un fichier dxf sur Internet avec la dimension du contour et la position des connecteurs à tête d'épingle Arduino.

Je poste les fichiers suivants:

• Fichiers eagle originaux: 00002A.brd et 00002A.sch.
• Fichiers Gerber: 00002A.zip.
• Et la BOM (Bill Of Materials) + guide de montage: BOM_Assemby.pdf.

J'ai commandé le PCB à PCBWay (www.pcbway.com). Le prix était incroyablement bas: 33 $, frais de port compris, pour 10 planches arrivées en moins d'une semaine. Je peux partager les planches restantes avec mes amis ou les utiliser dans d'autres projets.

Il y a une erreur dans la conception, j'ai mis un via en touchant la sérigraphie dans la légende 36V.

Étape 6: Assemblage du circuit du compteur

Bien que la plupart des pièces soient SMT dans cette carte, elle peut être assemblée avec un fer à souder ordinaire. J'ai utilisé un Hakko FX888D-23BY, une pince à épiler à pointe fine, une mèche de soudure et une soudure de 0,02.

• Après avoir reçu les pièces, la meilleure idée est de les trier, j'ai trié les condensateurs et les résistances et agrafé les sacs.
• Assemblez d'abord les petites pièces, en commençant par les résistances et les condensateurs.
• Assemblez R4 (0R1) en commençant par l'un des quatre fils.
• Soudez le reste des pièces, en général pour SOT23, SOIC8, etc. La meilleure façon est d'appliquer d'abord la soudure dans un plot, de souder la pièce à sa place, puis de souder le reste des fils. Parfois, la soudure peut joindre plusieurs pastilles ensemble, dans ce cas, vous pouvez utiliser un flux et une mèche de soudure pour enlever la soudure et nettoyer les espaces.
• Assemblez le reste des composants du trou traversant.

Étape 7: Code Arduino

J'ai joint le fichier DCmeter.ino. Tout le programme est inclus dans ce fichier à l'exception de la bibliothèque LCD « LiquidCrystal_I2C ». Le code est hautement personnalisable, notamment la forme des barres de progression et les messages affichés.

Comme tous les codes arduino, la fonction setup() est exécutée pour la première fois et la fonction loop() est exécutée en continu.

La fonction de configuration configure l'affichage, y compris les caractères spéciaux de la barre de progression, initialise la machine d'état MCP4322 et configure le relais et le rétroéclairage LCD pour la première fois.

Il n'y a pas d'interruptions, à chaque itération, la fonction de boucle effectue les étapes suivantes:

Obtenez la valeur de tous les signaux d'entrée I_ON, I_OFF, A_OC, A_OV et I_MOD. I_ON et I_OFF sont anti-rebonds. A_OC et A_OV sont lus directement à partir de l'ADC de l'Arduino et filtrés en utilisant la partie médiane des trois dernières mesures. I_MOD est lu directement sans anti-rebond.

Contrôlez l'heure d'activation du rétroéclairage.

Exécutez la machine d'état MCP3422. Toutes les 5 ms, il interroge le MCP3422 pour voir si la dernière conversion est terminée et si c'est le cas, il démarre la suivante, obtient successivement la valeur de la tension et du courant présents à la sortie.

S'il existe de nouvelles valeurs de tension et de courant de sortie de la machine d'état MCP3422, met à jour l'état de l'alimentation en fonction des mesures et met à jour l'affichage.

Il existe une implémentation à double tampon pour une mise à jour plus rapide de l'affichage.

Les macros suivantes peuvent être ajustées pour d'autres projets:

MAXVP: OV maximum en unités 1/100 V.

MAXCP: OC maximum dans les unités 1/1000A.

DEBOUNCEHARDNESS: nombre d'itérations avec une valeur consécutive pour deviner qu'elle est correcte pour I_ON et I_OFF.

LCD4x20 ou LCD2x16: Compilation pour affichage 4x20 ou 2x16, l'option 2x16 n'est pas encore implémentée.

L'implémentation 4x20 affiche les informations suivantes: Dans la première ligne la tension de sortie et le courant de sortie. Dans la deuxième rangée, une barre de progression représentant la valeur de sortie relative au point de consigne de protection pour la tension et le courant. Dans la troisième ligne, la consigne de courant pour la protection contre les surtensions et la protection contre les surintensités. Dans la quatrième rangée l'état actuel de l'alimentation: CC ON (On en mode courant constant), CV ON (On en mode tension constante), OFF, OV OFF (Off indiquant que l'alimentation s'est coupée à cause d'un OV), OC OFF (Éteint indiquant que l'alimentation s'est coupée à cause d'un OC).

J'ai fait ce fichier pour concevoir les caractères des barres de progression:

Étape 8: Problèmes thermiques

L'utilisation du bon dissipateur est très importante dans ce montage car le circuit d'alimentation n'est pas auto-protégé contre la surchauffe.

Selon la fiche technique, le transistor 2SD1047 a une résistance thermique jonction-boîtier de Rth-j, c = 1,25 ºC/W.

Selon ce calculateur Web: https://www.myheatsinks.com/calculate/thermal-resi… la résistance thermique du dissipateur que j'ai acheté est Rth-hs, air = 0,61 ºC/W. Je suppose que la valeur réelle est inférieure car le dissipateur thermique est attaché au boîtier et la chaleur peut également être dissipée de cette façon.

Selon le vendeur ebay, la conductivité thermique de la feuille isolante que j'ai achetée est de K = 20,9 W/(mK). Avec cela, avec une épaisseur de 0,6 mm, la résistance thermique est: R = L/K = 2,87e-5(Km2)/W. Ainsi, le boîtier de résistance thermique au dissipateur thermique de l'isolateur pour la surface de 15 mm x 15 mm du 2SD1047 est: Rth-c, hs = 0,127 °C/W. Vous pouvez trouver un guide pour ces calculs ici:

La puissance maximale admissible pour 150ºC dans la jonction et 25ºC dans l'air est: P = (Tj - Ta) / (Rth-j, c + Rth-hs, air + Rth-c, hs) = (150 - 25) / (1,25 + 0,61 + 0,127) = 63W.

La tension de sortie du transformateur est de 21VAC à pleine charge, soit une moyenne de 24VDC après diodes et filtrage. La dissipation maximale sera donc P = 24V * 3A = 72W. Compte tenu du fait que la résistance thermique du dissipateur thermique est un peu plus faible en raison de la dissipation du boîtier métallique, j'ai supposé que cela suffisait.

Étape 9: Enceinte

Le boîtier, y compris l'expédition, est la partie la plus chère de l'alimentation. J'ai trouvé ce modèle sur ebay, chez Cheval, un constructeur thaï: https://www.chevalgrp.com/standalone2.php. En fait, le vendeur ebay était originaire de Thaïlande.

Cette boite a un très bon rapport qualité prix et est arrivée assez bien emballée.

Étape 10: Mécanisation du panneau avant

La meilleure option pour mécaniser et graver le panneau avant est d'utiliser un routeur comme celui-ci https://shop.carbide3d.com/products/shapeoko-xl-k… ou de fabriquer un couvercle en plastique personnalisé avec PONOKO, par exemple. Mais comme je n'ai pas le routeur et que je ne voulais pas dépenser beaucoup d'argent, j'ai décidé de le faire à l'ancienne: Découper, rogner au fichier et utiliser des lettres de transfert pour le texte.

J'ai joint un fichier Inkscape avec le gabarit: frontPanel.svg.

• Coupez le pochoir.
• Couvrir le panneau avec du ruban de peintre.
• Collez le pochoir sur le ruban de peintre. J'ai utilisé un bâton de colle.
• Marquez la position des forets.
• Percez des trous pour permettre à la scie à chantourner ou à la lame de scie à chantourner de pénétrer dans les coupes internes.
• Coupez toutes les formes.
• Coupez avec un fichier. Dans le cas de trous ronds pour potentiomètres et bornes, il n'est pas nécessaire d'utiliser la scie avant de limer. Dans le cas du trou d'affichage, le rognage du fichier doit être le meilleur possible car ces bords vont être vus.
• Retirez le pochoir et le ruban de peintre.
• Marquez la position des textes avec un crayon.
• Transférez les lettres.
• Retirez les marques de crayon avec une gomme.

Étape 11: mécaniser le panneau arrière

• Marquez la position du dissipateur thermique, y compris le trou pour le transistor de puissance et la position des vis de maintien.
• Marquez le trou pour accéder au radiateur depuis l'intérieur du boîtier d'alimentation, j'ai utilisé l'isolant comme référence.
• Marquez le trou pour le connecteur IEC.
• Percez le contour des formes.
• Percez les trous pour les vis.
• Découpez les formes avec une pince coupante.
• Coupez les formes avec un fichier.

Étape 12: Assemblage du panneau avant

• Retirez un câble multiconducteur de la ferraille pour obtenir des câbles.
• Construisez l'assemblage LCD en soudant l'I2C à l'interface parallèle.
• Construire le « connecteur molex », ensemble fil et tube rétractable pour: potentiomètres, boutons poussoirs et LCD. Retirez toute protubérance dans les potentiomètres.
• Retirez l'anneau de pointeur des boutons.
• Couper la tige des potentiomètres à la taille du bouton. J'ai utilisé un morceau de carton comme jauge.
• Fixez les boutons poussoirs et le bouton d'alimentation.
• Assemblez les potentiomètres et installez les boutons, les potentiomètres multitours que j'ai achetés ont un axe de ¼ de pouce et les modèles à un tour ont un axe de 6 mm. J'ai utilisé des rondelles comme entretoises pour réduire la distance des potentiomètres.
• Vissez les bornes.
• Mettez du ruban adhésif double face dans l'écran LCD et collez-le sur le panneau.
• Soudez les fils positif et négatif aux bornes.
• Assemblez la cosse GND dans la borne verte.

Étape 13: Assemblage du panneau arrière

• Vissez le dissipateur thermique sur le panneau arrière, bien que la peinture soit un isolant thermique, j'ai mis de la graisse pour dissipateur thermique pour augmenter le transfert de chaleur du dissipateur thermique au boîtier.
• Assemblez le connecteur IEC.
• Positionner les entretoises adhésives à l'aide du circuit du kit d'alimentation.
• Vissez le transistor de puissance et l'isolant, il doit y avoir de la graisse thermique dans chaque surface.
• Assemblez le 7812 pour alimenter l'arduino, il fait face au boîtier pour permettre la dissipation de la chaleur, à l'aide d'une des vis qui maintiennent le dissipateur thermique. J'aurais dû utiliser une rondelle en plastique comme celle-ci https://www.ebay.com/itm/100PCS-TO-220-Transistor-… mais j'ai fini par utiliser le même isolant que le transistor de puissance et un morceau plié du boîtier.
• Câblez le transistor de puissance et le 7812 au circuit d'alimentation.

Étape 14: Assemblage final et câblage

• Marquez et percez les trous pour le transformateur.
• Assemblez le transformateur.
• Collez les pattes adhésives du boîtier.
• Collez le circuit du compteur CC à l'aide d'entretoises adhésives.
• Grattez la peinture pour visser la cosse GND.
• Construisez les assemblages de fils de tension secteur, toutes les terminaisons sont des Faston 3/16". J'ai utilisé un tube rétractable pour isoler les terminaisons.
• Coupez la partie avant du support du boîtier dans le côté droit pour faire de la place pour le bouton poussoir d'alimentation.
• Connectez tous les fils conformément au guide de montage.
• Installez le fusible (1A).
• Mettre le potentiomètre de tension de sortie (le potentiomètre VO), au minimum CCW et régler la tension de sortie au plus près de zéro volt à l'aide du potentiomètre de réglage fin multitours du circuit d'alimentation vkmaker.
• Assemblez l'enceinte.

Étape 15: Améliorations et poursuite du travail

Améliorations

• Utilisez des rondelles de style cultivateur pour éviter que les vis ne se desserrent avec les vibrations, en particulier les vibrations du transformateur.
• Peignez la face avant avec un vernis transparent pour éviter que les lettres ne s'effacent.

Travail ultérieur:

• Ajoutez un connecteur USB comme celui-ci: https://www.ebay.com/itm/Switchcraft-EHUSBBABX-USB-… dans le panneau arrière. Utile pour mettre à jour du code sans démontage ou pour réaliser un petit ATE contrôlant les fonctions On Off, obtenir l'état et mesurer à l'aide d'un PC.
• Faites la compilation de code LCD 2x16.
• Créez un nouveau circuit d'alimentation, au lieu d'utiliser le kit vkmaker, avec contrôle numérique de la tension et du courant de sortie.
• Effectuer les tests adéquats pour caractériser l'alimentation.

Premier prix du concours d'alimentation