Меню

Ардуино стабилизатор по току

rcl-radio.ru

Сайт для радиолюбителей

Регулируемый стабилизатор напряжения с защитой по току (Arduino)

За основу регуляруемого стабилизатора свята схема со траницы https://rcl-radio.ru/?p=57426 , схема достаточно простая и содержит минимальный набор элементов. Выходное напряжение регулируемого стабилизатора можно регулировать от 0 до 25 В при максимальном токе 3 А. Используя Arduino можно заметно расширить функционал стабилизатора, сделать индикацию и защиту по току и КЗ, добавив дополнительно аналоговый датчик тока ACS712, и цифровой датчик температуры 18B20 для контроля температуры корпуса силового транзистора.

Как видно на изображении, на индикатор выводится текущее напряжение и ток, температура корпуса силового транзистора и значение тока при котором сработает защита. Помимо токовой защиты имеется еще защита от перегрева силового транзистора, при температуре более 85 ºС напряжение будет сброшено до 0 В в течении 5 секунд, а на индикаторе высветится надпись «ERROR». Ток защиты устанавливается при помощи кнопок «+» и «-«, от 0,1 А до 3 А с шагом 0,1 А. При достижении выходного тока стабилизатора и тока защиты, выходное напряжение сбрасывается до 0 В, то же самое происходит при КЗ. Как и при тепловой защите на экран выводится надпись «ERROR». Защита активна в течении 5 секунд.

Схема стабилизатора напряжения условно поделена на две части, цифровую (Arduino+индикатор и кнопки управления) и силовую. В силовой части используется два параметрических стабилизатора на 5,6 В для опрного источника и 27 В для питания ОУ LM358 который имеет максимальное напряжение питания 32В, что позволяет запитывать схему стабилизатора напряжением выше 32 В.

Транзистор КТ825Г необходимо установить на теплоотвод площадью не менее 400 кв. см. Переменный резистор R5 задающий выходное напряжение стабилизатора желательно применить многооборотный, если такой возможности нет, то регулировку выходного напряжения необходимо разделить на грубую и плавную, применив для этой цели два резистора.

Напряжение с точки соединения R1 и R2 подается на аналоговый вход Arduino A0 которое не превышает 4,7 В при выходном напряжении стабилизатора 25 В. С датчика тока (модуль) ACS712 напряжение подается на вход А1, а цифровой датчик (модуль) температуры (крепится непосредственно на корпус силового транзистора) подключается к выходу А2. Управление защитой осуществляется при помощи аналого выхода D12, при срабатывании защиты на выходе D12 устанавливается логический ноль который подается на неинвертирующий вход ОУ, что приводит к закрыванию силового транзистора и напряжение на выходе становится равным нулю.

Значение тока защиты сохраняется в энергонезависимой памяти через 10 секунд после регулировки тока. Стабилизатор напряжения в настройке практически не нуждается, необходима лишь калибровка при помощи скетча, при помощи следующих переменных:

  • float kalib_u= 5.32 ;
  • int temp_error= 85 ;

Первая переменная калибрует напряжение выводимое на индикатор, вторая переменная отвечает за температурную защиту.

Источник

Arduino.ru

Как сделать управление силой тока через ШИМ?

CollSpack аватар

Очень важно иметь токовое управление. Разрабатываемый прибор имеет повышенное требование к уровню пульсаций и при минимальном значении ШИМ сильно падает КПД устройства.

Для примера, проблема четко заметна если подключить куллер. При максимальном значении ШИМ — работает отлично, а при снижении периода пульсации начинает сильно пищать на частоте работы ШИМ (на слух около 500 Гц).

Каким образом сделать управление силой тока через ШИМ от Ардуино?

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

Намного более дельные советы вы получите, если будете обсуждать не сферическую ардуину в вакууме, а конкретную конструкцию.

Так например проблемы с писком комповых кулеров примитивно решаются сглаживающим электролитом, подключенным параллельно питанию кулера.

Ну а если нужно именно управление током, то логика такова — собираете классический иточник тока на одном транзисторе и в качестве порного источника используете не стабилитрон, а например конденсатор, через токоограничительный резюк подключенный к ШИМ-выходу Дуни.

Ну а подробнее говорить сложно, пока не понятно, что именно вам надо..

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

А может просто увеличить частоту ШИМ ? Например, есть библиотека https://code.google.com/p/arduino-pwm-frequency-library/downloads/list — одна из многих, позволяющих менять частоту.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

А может просто увеличить частоту ШИМ ?

— Товарищ Сталин, выявлен человек, как две капли воды похожий на вас.

— Есть, товарищ Сталин!! Будет исполнено!!

[после небольшой паузы]

— Товарищ Сталин, а может его просто побрить?

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

Тогда, логичнее всего не током играться, а именно что сглаживать пульсации.. Вариантов для этого множество.

Возможно придется ограничить программно нижние пределы регулирования, если на практике они окажутся малоэффективными.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

Во первых, давайте на забывать про инерционность, тепловые системы как правило достаточно инерционны.

Во вторых, что значит «нельзя так» ? Если элемент Пельтье в каком то диапазоне (неважно напряжений или ШИМ) перестает отбирать тепловую энергию, тоесть попросу говоря не работает, то этот диапазон полюбому нельзя использовать= ограничить программно, чтоб неэффективные значения были невозможны.

А минимальноые рабочие значения устанавливаются как минимальные возможные. Что тут невозможного?

Что означает «вопрос еще актуален»? Вы хотите по прежнему рулить источником тока? Вы хотите преобразовывать ШИМ в пост. напряжение на элементе (уменьшать пульсации)? Сформулируйте ваше ТЗ)))

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

CollSpack аватар

И так всегда. Нужно не минимизировать влияние проблемы, а устранить ее в корне. Я получу вывих головного мозга если начну обьяснять принцип по котором работает мой прибор. У меня задача — это выжать максимум КПД с Пельтье.
Как можно максимально сгладить пульсации?
В идеале нужно сделать токовое управление. Подскажите плз!

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

Простой регулятор тока через нагрузку с управлением от МК (посредством ШИМ-сигнала) можно выполнить по такой схеме:

Элементы C1, C2, R3, R4 превращают ШИМ-сигнал в постоянное напряжение, пропорциональное коэффициенту заполнения. Так получается опорное напряжение для этой схемы. Резистор R3 является измерительным и схема всегда будет стремиться выравнять напряжение падения на нем с тем самым опорным напряжением, которое получается из ШИМ-сигнала. От величины R3 будет зависеть, какой максимальный ток сможет течь через нагрузку при 100% заполнении управляющего ШИМ-сигнала. Например, при значении резстора 0.68 ом, изменяя коэффициент заполнения ШИМ-сигнала от 0 до 100% можно будет регулировать ток через нагрузку от 0 до 7.35А.

Операционник указанный на схеме имеет отвратительное свойство возбуждаться при работе на емкостную нагрузку. Емкостной нагрузкой здесь является затвор полевика. Чтобы задавить паразитные колебания, в схему ведены корректирующие элементы R1, R2 и C3.

Регулятор не является быстродействующим. Скорость реакции (время с момента изменения коэфф. заполнения до установки нового значения тока через нагрузку) составляет 100..200 миллисекунд.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

а DC-DC step с управлением не прокатит? низкоомный сопрот в обратную связь (с ОУ ест-нно). из ШИМа аналог сделать. ну почти верхняя схема, тока КПД надеюсь повыше и требования к входному пониже, в смысле диаппазон шире (чтоб на транзисторе не рассеивать)

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

просто убрать ШИМ 🙂 и превратить его в ЦАП

Элементы C1, C2, R3, R4 превращают ШИМ-сигнал в постоянное напряжение, пропорциональное коэффициенту заполнения. Так получается опорное напряжение для этой схемы.

и подать на схему упралени пельтье. готвых в гугле должно быть море с подробным описанием — как вариант.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

Почти третий порядок по фильтрации, схема действительно отличная. Но мне, ИМХО, всегда жалко выходной транзистор 🙂 ему нужен будет карлсон, Пельтье всегда покушать любят. А чтобы меньше кушали, нужен источник питания (без пульсаций) с минимальным достаточным напряжением.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

без осциллографа не стоит и начинать ИМХО

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

без осциллографа не стоит и начинать ИМХО

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

CollSpack аватар

Простой регулятор тока через нагрузку с управлением от МК (посредством ШИМ-сигнала) можно выполнить по такой схеме:

Элементы C1, C2, R3, R4 превращают ШИМ-сигнал в постоянное напряжение, пропорциональное коэффициенту заполнения. Так получается опорное напряжение для этой схемы. Резистор R3 является измерительным и схема всегда будет стремиться выравнять напряжение падения на нем с тем самым опорным напряжением, которое получается из ШИМ-сигнала. От величины R3 будет зависеть, какой максимальный ток сможет течь через нагрузку при 100% заполнении управляющего ШИМ-сигнала. Например, при значении резстора 0.68 ом, изменяя коэффициент заполнения ШИМ-сигнала от 0 до 100% можно будет регулировать ток через нагрузку от 0 до 7.35А.

Операционник указанный на схеме имеет отвратительное свойство возбуждаться при работе на емкостную нагрузку. Емкостной нагрузкой здесь является затвор полевика. Чтобы задавить паразитные колебания, в схему ведены корректирующие элементы R1, R2 и C3.

Регулятор не является быстродействующим. Скорость реакции (время с момента изменения коэфф. заполнения до установки нового значения тока через нагрузку) составляет 100..200 миллисекунд.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

Ссылка на даташит, там нужно поднимать напряжение затвора ( Fig.7. Typical transfer characteristics ) 5 вольт ему маловато от ардуино. Или делать несколько каскадов – ардуино потянет значительное количество таких схем на один выход ШИМа (Rн>47кОм). Или ставить ОУ в режиме компаратора с повышением выходного напряжения (>5В).

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии
Читайте также:  Способ защиты от поражения электрическим током гост

между этой схемой и ардуино, установить компаратор, на выходе которого будет тот-же ШИМ но с выходом, скажем 9В, а не 5В — это позволит поднять напряжение управления на затворе, сейчас 0,68Ом*7,35А= 4,998В на инвертирующем входе усилителя тока. При 9В ШИМ в схеме будет уже 13А, а транзистор тянет до 23А, можно немного убавить соротивление R3, и/или поменять транзистор.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

между этой схемой и ардуино, установить компаратор, на выходе которого будет тот-же ШИМ но с выходом, скажем 9В, а не 5В — это позволит поднять напряжение управления на затворе, сейчас 0,68Ом*7,35А= 4,998В на инвертирующем входе усилителя тока. При 9В ШИМ в схеме будет уже 13А, а транзистор тянет до 23А, можно немного убавить соротивление R3, и/или поменять транзистор.

Жаль, нет лички, и придется ТС немного посмущать высокоумной дискуссией. 🙂 Но раз уж дело может дойти до паяльника, вопрос нужно прояснить, а то соберет «дитя» подаренный приемник, а он не играет. Не годится. Надо, чтобы сразу играл. 🙂

Чтобы обеспечить ток в 7,5 А на стоке силового полевика согласно фиг. 5 даташита нужно подать ему на затвор 7 В относительно истока. Подавать это напряжение будет ОУ со своего ВЫХОДА. Напряжение на выходе ОУ возмется от цепи ПИТАНИЯ ОУ. ОУ общего назначения на свои нужды при этом откусит около 2 В. При максимальном токе на токозадающем резисторе будет падать напряжение почти (для простоты совсем) равное выходному напряжению пина Ардуины, т.е. 5 В. Чтобы открыть на такой ток полевик на затвор ему нужно подать 7 В. Т.е. на выходе ОУ относительного общего провода должно быть 7 В + 5 В = 12 В. ОУ на свои нужды возьмет 2 В. Итого напряжение ПИТАНИЯ ОУ должно быть не менее 12 В + 2 В = 14 В. Лучше 17-20 В. ОУ подобрать обычный, не низковольтный.

Кстати, что важно, цепи питания нагрузки (Пельтье) и ОУ могут, а лучше и должны, быть совершенно разными. От разных источников, только с соблюдением полярности.

Если запаса по напряжению у источника питания ОУ нет, то, как это ни парадоксально на первый взгляд, для работоспособности схемы напряжение с выхода Ардуино нужно не увеличить, а. понизить, уменьшив пропорционально сопротивление токозадающего резистора. Поделим, числа чисто для примера, выходное напряжение с Ардуино в 5 раз, и уменьшим в пять раз сопротивление токозадающего резистора. Тогда при токе в нагрузке 7,5 А на резисторе будет падать не 5 В, а только 1 В. При сохранении остальных допущений, напряжение питания ОУ может быть не 14 В, а 10 В. Питание Пельтье собственное — независимое.

Уменьшение напряжения на токозадающем резисторе уменьшит и рассеиваемую на нем мощность, что положительно скажется на термостабильности, габаритах и попытке отпаяться от платы при максимальных нагрузках. 🙂 Совсем сильно вниз идти тоже нельзя, вырастут шумы, сильнее будет сказываться дрейф ОУ. Баланс, стало быть, надо блюсти. Если есть обоснованные исходные требования, то предварительно и посчитать все аккуратно не грех.

Источник



ОБОРУДОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
РАЗРАБОТКИ

Блог технической поддержки моих разработок

Урок 36. Разработка Ардуино-контроллера элемента Пельтье. Импульсный (ключевой) регулятор напряжения.

Элемент Пельтье

Этим уроком я начинаю серию статей посвященных импульсным стабилизаторам, цифровым регуляторам, устройствам управления выходной мощностью.

Цель, которую я поставил это разработка контроллера для холодильника на элементе Пельтье.

Будем делать аналог моей разработки Контроллер элемента Пельтье, только реализованный на основе платы Ардуино.

  • Эта разработка многих заинтересовала, и мне посыпались письма с просьбами реализовать ее на Ардуино.
  • Разработка идеально подходит для изучения аппаратной и программной части цифровых регуляторов. К тому же она объединяет в себе множество задач, изученных в предыдущих уроках:
    • измерение аналоговых сигналов;
    • работа с кнопками;
    • подключение систем индикации;
    • измерение температуры;
    • работа с EEPROM;
    • связь с компьютером;
    • параллельные процессы;
    • и многое другое.

Разработку я буду вести последовательно, шаг за шагом, поясняя свои действия. Что в результате получится – не знаю. Надеюсь на полноценный рабочий проект контроллера холодильника.

У меня нет готового проекта. Уроки я буду писать по текущему состоянию, поэтому в ходе испытаний может выясниться, что на каком-то этапе я ошибся. Буду исправлять. Это лучше, чем я отлажу разработку и выдам готовые решения.

Отличия разработки от прототипа.

Единственное функциональное отличие от прототипа разработки на PIC-контроллере – это отсутствие быстрого стабилизатора напряжения, который компенсирует пульсации питающего напряжения.

Т.е. данный вариант устройства должен питаться от стабилизированного источника питания с низким уровнем пульсаций (не более 5%). Этим требованиям отвечают все современные импульсные блоки питания.

А вариант питания от нестабилизированного блока питания (трансформатор, выпрямитель, емкостной фильтр) исключен. Быстродействие системы Ардуино не позволяет реализовать быстрый регулятор напряжения. Рекомендую прочитать статью о требованиях к питанию элемента Пельтье.

Разработка общей структуры устройства.

На этом этапе надо в общем виде понять:

  • из каких элементов состоит система;
  • на каком контроллере ее выполнить;
  • достаточно ли выводов и функциональных возможностей контроллера.

Я представляю контроллер “черным ящиком” или “мусорной ямой” и подключаю к нему все что надо. Потом смотрю, подходит ли для этих целей, например, плата Arduino UNO R3.

В моей интерпретации это выглядит так.

Ардуино-контроллер элемента Пельтье

Я нарисовал прямоугольник – контроллер и все сигналы, необходимые для подключения элементов системы.

Я решил, что необходимо подключить к плате:

  • LCD индикатор (для отображения результатов и режимов);
  • 3 кнопки (для управления);
  • светодиод индикации ошибки;
  • ключ управления вентилятором (для включения вентилятора радиатора горячей стороны);
  • ключ импульсного стабилизатора (для регулировки мощности элемента Пельтье);
  • аналоговый вход измерения тока нагрузки;
  • аналоговый вход измерения напряжения нагрузки;
  • датчик температуры в камере (точный 1-wire датчик DS18B20);
  • датчик температуры радиатора (еще не решил, какой датчик, скорее тоже DS18B20);
  • сигналы связи с компьютером.

Всего получилось 18 сигналов. У платы Arduino UNO R3 или Arduino NANO 20 выводов. Осталось еще 2 вывода про запас. Может, захочется еще одну кнопку подключить, или светодиод, или датчик влажности, или вентилятор холодной стороны… Нам требуется 2 или 3 аналоговых входа, у платы – 6. Т.е. все нас устраивает.

Можно назначить номера выводов сразу, можно в ходе разработки. Я назначил сразу. Подключение происходит через разъемы, всегда можно изменить. Имейте в виду, что назначение выводов неокончательное.

Импульсные стабилизаторы.

Для точной стабилизации температуры и работы элемента Пельтье в оптимальном режиме необходимо регулировать мощность на нем. Регуляторы бывают аналоговые (линейные) и импульсные (ключевые).

Аналоговые регуляторы представляют собой последовательно подключенные к источнику питания регулирующий элемент и нагрузку. За счет изменения сопротивления регулирующего элемента происходит регулировка напряжения или тока на нагрузке. В качестве регулирующего элемента, как правило, используется биполярный транзистор.

Линейный регулятор

Регулирующий элемент работает в линейном режиме. На нем выделяется “лишняя” мощность. При больших токах стабилизаторы такого типа сильно греются, имеют небольшой КПД. Типичным линейным стабилизатором напряжения является микросхема 7805.

Нам такой вариант не подходит. Будем делать импульсный (ключевой) стабилизатор.

Импульсные стабилизаторы бывают разные. Нам нужен понижающий импульсный регулятор. Напряжение на нагрузке в таких устройствах всегда ниже напряжения питания. Схема понижающего импульсного регулятора выглядит так.

Схема импульсного стабилизатора

А это диаграмма работы регулятора.

Диаграмма работы ключевого стабилизатора

Транзистор VT работает в ключевом режиме, т.е. у него может быть только два состояния: открыт или закрыт. Устройство управления, в нашем случае микроконтроллер, коммутирует транзистор с определенной частотой и скважностью.

  • Когда транзистор открыт ток течет по цепи: источник питания, транзисторный ключ VT, дроссель L, нагрузка.
  • При разомкнутом ключе энергия, накопленная в дросселе, поступает в нагрузку. Ток течет по цепи: дроссель, диод VD, нагрузка.

Таким образом, постоянное напряжение на выходе регулятора зависит от соотношения времени открытого (tоткр) и закрытого ключа (tзакр), т.е. от скважности импульсов управления. Меняя скважность, микроконтроллер может менять напряжение на нагрузке. Конденсатор C сглаживает пульсации выходного напряжения.

Главное достоинство такого способа регулирования – высокий КПД. Транзистор всегда находится в открытом или закрытом состоянии. Поэтому на нем рассеивается небольшая мощность — всегда или напряжение на транзисторе близко к нулю, или ток равен 0.

Это классическая схема импульсного понижающего регулятора. В ней ключевой транзистор оторван от общего провода. Транзистором тяжело управлять, требуются специальные цепи смещения к шине напряжения питания.

Схема импульсного регулятора с отвязанной от земли нагрузкой

Поэтому я изменил схему. В ней нагрузка оторвана от общего провода, зато к общему проводу привязан ключ. Такое решение позволяет управлять транзисторным ключом от сигнала микроконтроллера, используя простой драйвер-усилитель тока.

  • При замкнутом ключе ток поступает в нагрузку по цепи: источник питания, дроссель L, ключ VT (путь тока показан красным цветом).
  • При разомкнутом ключе энергия, накопленная в дросселе возвращается в нагрузку через рекуперативный диод VD (путь тока показан синим цветом).

Практическая реализация ключевого регулятора.

Читайте также:  Какие частицы создают электрический ток в растворах электролитов

Нам необходимо реализовать узел импульсного регулятора со следующими функциями:

  • собственно ключевой регулятор (ключ, дроссель, рекуперативный диод, сглаживающий конденсатор);
  • цепь измерения напряжения на нагрузке;
  • цепь измерения тока регулятора;
  • аппаратная защита от превышения тока.

Я, практически без изменений, взял схему регулятора из контроллера элемента Пельтье V2.

Схема импульсного регулятора для работы с платой Ардуино.

Схема Ардуино-контроллера элемента Пельтье

В качестве силового ключа я использовал MOSFET транзисторы IRF7313. В статье об увеличении мощности контроллера элемента Пельтье я подробно писал об этих транзисторах, о возможной замене и о требованиях к ключевым транзисторам для этой схеме. Вот ссылка на техническую документацию IRF7313.pdf.

На транзисторах VT1 и VT2 собран драйвер ключевого MOSFET транзистора. Это просто усилитель по току, по напряжению он даже ослабляет сигнал примерно до 4,3 В. Поэтому ключевой транзистор обязательно должен быть низкопороговым. Есть разные варианты реализации драйверов MOSFET транзисторов. В том числе и с использованием интегральных драйверов. Этот вариант самый простой и дешевый.

Для измерения напряжения на нагрузке используется делитель R1, R2. При таких значениях сопротивлений резисторов и источнике опорного напряжения 1,1 В, диапазон измерения составляет 0 … 17,2 В. Цепь позволяет измерить напряжение на втором выводе нагрузки относительно общего провода. Напряжение на нагрузке мы вычислим, зная напряжение источника питания:

Uнагрузки = Uпитания – Uизмеренное.

Понятно, что точность измерения будет зависеть от стабильности поддержания напряжения источника питания. Но нам не нужна высокая точность измерения напряжения, тока, мощности нагрузки. Нам нужно точно измерять и поддерживать только температуру. Ее мы и будем измерять с высокой точностью. А если система покажет, что на элементе Пельтье установлена мощность 10 Вт, а на самом деле будет 10,5 Вт, это ни как не отразится на работе устройства. Это касается всех остальных энергетических параметров.

Ток измеряется с помощью резистора-датчика тока R8. Компоненты R6 и C2 образуют простой фильтр низких частот.

На элементах R7 и VT3 собрана простейшая аппаратная защита. Если ток в цепи превысит 12 А, то на резисторе R8 напряжение достигнет порога открывания транзистора 0,6 В. Транзистор откроется и замкнет вывод RES (сброс) микроконтроллера на землю. Все должно отключится. К сожалению, порог срабатывания такой защиты определяется напряжением база-эммитер биполярного транзистора (0,6 В). Из-за этого защита срабатывает только при значительных токах. Можно применить аналоговый компаратор, но это усложнит схему.

Ток будет измеряться точнее при увеличении сопротивления датчика тока R8. Но это приведет к выделению на нем значительной мощности. Даже при сопротивлении 0,05 Ом и токе 5 А на резисторе R8 рассеивается 5 * 5 * 0,05 = 1,25 Вт. Обратите внимание, что резистор R8 имеет мощность 2 Вт.

Теперь, какой ток мы измеряем. Мы измеряем ток потребления импульсного стабилизатора от источника питания. Схема измерения этого параметра гораздо проще, чем схема измерения тока нагрузки. Нагрузка у нас “отвязана” от общего провода. Для работы системы необходимо измерять электрическую мощность на элементе Пельтье. Мы вычислим мощность потребляемую регулятором, умножив напряжение источника питания на потребляемый ток. Посчитаем, что наш регулятор имеет КПД 100% и решим, что это и есть мощность на элементе Пельтье. На самом деле КПД регулятора будет 90-95%, но эта погрешность никак не скажется на работе системы.

Компоненты L2, L3, C5 – простой фильтр радиопомех. Возможно, в нем нет необходимости.

Расчет дросселя ключевого стабилизатора.

Дроссель имеет два параметра, важных для нас:

  • индуктивность;
  • ток насыщения.

Необходимая индуктивность дросселя определяется частотой ШИМ и допустимыми пульсациями тока дросселя. На эту тему есть очень много информации. Я приведу самый упрощенный расчет.

Мы подали на дроссель напряжение и ток через него начал увеличиваться ток. Увеличиваться, а не появился, потому что какой-то ток уже протекал через дроссель в момент включения Iвкл).

Диаграмма работы ключевого регулятора

Транзистор открылся. К дросселю подключили напряжение:

Uдросселя = Uпитания – Uнагрузки.

Ток через дроссель начал нарастать по закону:

Iдросселя = Uдросселя * tоткр / L

  • tоткр – длительность импульса открытого ключа;
  • L — индуктивность.

Т.е. значение пульсации тока дросселя или на сколько увеличился ток за время открытого ключа определяется выражением:

Iвыкл – Iвкл = Uдросселя * tоткр / L

Напряжение на нагрузке может меняться. А оно определяет напряжение на дросселе. Существуют формулы, учитывающие это. Но в нашем случае я бы принял такие значения:

  • напряжение питания 12 В;
  • минимальное напряжение на элементе Пельтье 5 В;
  • значит максимальное напряжение на дросселе 12 – 5 = 7 В.

Длительность импульса открытого ключа tоткр определяется частотой периода ШИМ. Чем она выше, тем меньшей индуктивности необходим дроссель. Максимальная частота ШИМ платы Ардуино 62,5 кГц. Как получить такую частоту я расскажу в следующем уроке. Ее и будем использовать.

Возьмем худший вариант – ШИМ переключается ровно в середине периода.

  • Длительность периода 1 / 62500 Гц = 0,000016 сек = 16 мкс;
  • Длительность открытого ключа = 8 мкс.

Пульсации тока в таких схемах обычно задают до 20% от среднего тока. Не надо путать с пульсациями выходного напряжения. Их сглаживают конденсаторы на выходе схемы.

Если мы допускаем ток 5 А, то возьмем пульсации тока 10 % или 0,5 А.

Теперь можно посчитать индуктивность дросселя:

L = Uдросселя * tоткр / Iпульсаций = 7 * 8 / 0,5 = 112 мкГн.

Ток насыщения дросселя.

Все на свете имеет предел. И дроссель тоже. При каком-то токе он перестает быть индуктивностью. Это и есть ток насыщения дросселя.

В нашем случае максимальный ток дросселя определяется как средний ток плюс пульсации, т.е. 5,5 А. Но лучше ток насыщения выбирать с запасом. Если мы хотим, чтобы работала аппаратная защита в этом варианте схемы, то он должен быть не менее 12 А.

Ток насыщения определяется воздушным зазором в магнитопроводе дросселя. В статьях о контроллерах элемента Пельтье я рассказывал о конструкции дросселя. Если я начну разворачивать эту тему подробно, то мы уйдем от Ардуино, от программирования и не знаю когда вернемся.

У меня дроссель выглядит так.

Дроссель ключевого регулятора
Естественно, провод обмотки дросселя должен быть достаточного сечения. Расчет простой – определение тепловых потерь за счет активного сопротивления обмотки.

Активное сопротивление обмотки:

  • Rа – активное сопротивление обмотки;
  • Ρ – удельное сопротивление материала, для меди 0,0175 Ом мм2 / м;
  • l – длина обмотки;
  • S – сечение провода обмотки.

Тепловые потери на активном сопротивлении дросселя:

Общие рекомендации монтажа.

Ключевой регулятор потребляет от источника питания приличный ток и нельзя допускать, чтобы этот ток проходил через плату Ардуино. На схеме показано, что провода от блока питания подключены непосредственно к блокировочным конденсаторам C6 и C7.

Основные импульсные токи схемы проходят по контуру C6, нагрузка, L1, D2, R8. Эта цепь должна замыкаться связями с минимальной длиной.

Общий провод и шина питания платы Ардуино подключаются к блокировочному конденсатору C6.

Провода сигналов между платой Ардуино и модулем ключевого стабилизатора должны быть минимальной длины. Конденсаторы C1 и C2 лучше расположить на разъемах подключения к плате.

Я собрал схему на плате контроллера элемента Пельтье. Запаял только нужные компоненты. Выглядит собранная схема у меня так.

Ардуино-контроллер элемента Пельтье

Ардуино-контроллер элемента Пельтье

Я задал ШИМ 50% и проверил работу схемы.

  • При питании от компьютера плата формировала заданный ШИМ.
  • При автономном питании от внешнего блока питания все замечательно работало. На дросселе формировались импульсы с хорошими фронтами, на выходе было постоянное напряжение.
  • Когда я включил одновременно питание и от компьютера, и от внешнего блока питания у меня сгорела плата Ардуино.

Моя глупая ошибка. Расскажу, чтобы ее никто не повторил. Вообще, подключая внешний блок питания надо быть аккуратным, прозвонить все связи.

У меня случилось следующее. На схеме не было диода VD2. Я добавил его после этой неприятности. Я посчитал, что плату можно питать от внешнего источника через вывод Vin. Сам же написал в уроке 2, что плата может получать питание от внешнего источника через разъем (сигнал RWRIN). Но я думал, что это один и тот же сигнал, только на разных разъемах.

Я подсоединил блок питания (не включил в сеть) и шнур платы Ардуино в USB разъем компьютера. На выход стабилизатора платы U1 NCP1117 с разъема USB поступило напряжение +5 В. А вход оказался замкнутым через достаточно низкое сопротивление выключенного блока питания. Схема есть в уроке 2. Очевидно стабилизатор U1 сгорел от обратного напряжения, а я не заметил этого и включил блок питания. Стабилизатор U1 задымился. Плата перестала работать даже после того, как я заменил NCP1117. Будьте внимательнее.

В следующем уроке будем всем этим управлять.

Источник

Источник тока управляемый Arduino

В данной публикации я расскажу о разработке программируемого источника тока. Данное устройство можно использовать как эквивалент нагрузки для тестирования и исследования химических источников тока (аккумуляторов, гальванических элементов и батарей на их основе), блоков питания напряжением до 18 вольт и током до 5 ампер. Кроме того, при подключении внешнего источника питания возможна зарядка аккумуляторных батарей и снятие вольт-амперных характеристик различных электронных компонентов, например выпрямительных диодов. Так как источник тока программируемый, то можно задавать любые алгоритмы работы с получением необходимых данных, что очень удобно при проведении различных прикладных исследований и экспериментов (например снятие разрядных и зарядных характеристик аккумуляторов с построением графиков). Да и само по себе устройство предоставляет широкое поле для экспериментов. О примерах применения устройства я расскажу в следующих публикациях, а сейчас остановлюсь на его описании.

Читайте также:  Рабочее заземление постоянного тока

1. Характеристики программируемого источника тока

  • два независимых канала стабильного тока (условно канал А и канал В);
  • общий радиатор охлаждения выходных транзисторов;
  • программно-управляемый (по температуре радиатора) вентилятор охлаждения;
  • закрепленный на радиаторе датчик температуры DS18B20;
  • возможность программного переключения тестируемого аккумулятора из режима разряда в режим заряда (только для канала А)
  • возможность подключения внешнего источника напряжения для реализации алгоритмов зарядки аккумуляторов (только для канала А);
  • два программно-управляемых светодиода для реализации необходимой индикации;
  • программно-управляемый зуммер для реализации звуковых оповещений;
  • возможность подключения встраиваемых ампервольтметров для оперативной индикации напряжения и тока;
  • возможность питания всего устройства от порта USB;
  • возможность подключения внешнего питания от 7 до 12 Вольт (рекомендуется для повышения точности измерений и лучшего охлаждения).
Наименование параметра Значение параметра
Максимальное напряжение тестируемых устройств, В Не более 18
Максимальная долговременная суммарная (по двум каналам) рассеиваемая мощность с использованием принудительного охлаждения, Вт* Не более 30
Диапазон устанавливаемого тока, А От 0,1 до 5
Время установки выходного тока, мс Не более 2
Минимальное напряжение тестируемого устройства при входном токе 1.0 А, при котором обеспечивается стабильность тока, В Не более 0.2
Минимальное напряжение тестируемого устройства при входном токе 4.7 А, при котором обеспечивается стабильность тока, В Не более 1

* что бы не превысить максимально-допустимую рассеиваемую мощность необходимо контролировать ток, напряжение и температуру радиатора. Например, при напряжении тестируемого устройства 10 вольт ток не может превышать 3 ампер, при условии, что второй канал не используется. Кроме того, при рассеиваемой мощности более 20 Вт необходимо использовать внешнее питание для увеличения производительности вентилятора охлаждения.

2. Описание принципиальной электрической схемы источника тока

Принципиальная электрическая схема устройства приведена ниже.

Принципиальная электрическая схема программируемого источника тока

Схему устройства можно условно разделить на две части: программируемое устройство управления из семейства Arduino и, непосредственно, разработанная схема, состоящая из силовой части, цепей измерения, коммутации и сигнализации.

2.1. Программируемая управляющая часть на базе Arduino

В качестве устройства управления была выбрана плата Arduino Nano. Выбор платы Arduino Nano обусловлен следующим: на плате установлен микроконтроллер ATmega328 со всей необходимой «обвязкой», имеется стабилизатор напряжения на 5 вольт и током нагрузки до 800 мА, что позволяет питать все устройство в целом от не стабилизированного источника питания напряжением до 12 вольт, имеется разъем USB и установлена микросхема-преобразователь USB-UART, что позволяет программировать и управлять устройством по одному USB кабелю, легкое и понятное программирование устройства с помощью Arduino IDE и наличие большого количества готовых библиотек. Кроме того, плата Arduino Nano имеет минимальные размеры, в некотором смысле ее можно считать даже гибридной микросхемой. Производительности данной платы с учетом используемого языка программирования для разрабатываемого устройства более чем достаточно. Забегая вперед скажу, что конструктивно на плате устройства предусмотрена установка платы Arduino Nano, но это не мешает подключать отдельными проводниками другие платы Arduino, подходящие по функционалу и имеющие достаточное количество необходимых выводов. Учитывая то, что конструктивно силовая и управляющая части устройства разделены и плата Arduino Nano устанавливается на плату источника тока как отдельное устройство, то можно исполнительную силовую часть представлять как некий шилд для платформы Arduino под названием «Управляемый источник тока для Arduino«.

2.2. Силовая часть источника тока

Силовая исполнительная часть устройства двухканальная (по сути мы имеем на одной плате два независимых источника стабильного тока — канал А и канал В) и выполнена на мощных полевых транзисторах IRL2203N, которые регулируют необходимый ток в выходной цепи. Тестируемое устройство, например аккумулятор, подключается к клеммам +Ubat и -Ubat. Стабильность тока при изменении напряжения на стоке достигается за счет использования операционного усилителя (ОУ) DA1. Рассмотрим канал А, регулирующим элементом тока в котором выступает транзистор VT4. На неинвертирующий вход (3) ОУ подается регулируемое напряжение Uрег, посредством которого устанавливается необходимый ток в выходной цепи источника тока. Установленное напряжение сравнивается операционным усилителем с напряжением на инвертирующем входе (2) ОУ, которое снимается с резистора R27. Резистор R27 является «датчиком» тока, протекающим через транзистор VT4 . При этом если падение напряжения на резисторе R27 превысит напряжение на неинвертирующем входе ОУ, то на выходе ОУ напряжение будет понижаться, что приведет к закрыванию транзистора VT4 и уменьшению тока через резистор R27 до тех пор, пока напряжение на резисторе не станет равным напряжению на неинвертирующем входе ОУ. Далее ОУ непрерывно будет изменять напряжение на затворе транзистора VT4 таким образом, что бы напряжение на резисторе R27 оставалось неизменным, что в свою очередь приведет к стабилизации тока через транзистор. Необходимый нам ток в выходной цепи устройства будет определяться следующим выражением: Iвых=Uрег/R27. Напряжение Uрег формируется микроконтроллером на плате Arduino Nano программным способом и корректируется цепями R13C3R15R16. Так как данный микроконтроллер не имеет аналоговых выходов, то изменение напряжения достигается за счет изменения скважности импульсов на выходе D10 платы и последующим выделением постоянной составляющей напряжения с помощью цепи R13C3. Путем изменения скважности импульсов с помощью соответствующей библиотеки для Arduino Nano можно получить и зменение напряжения на конденсаторе C3 от нуля и практически до уровня напряжения питания микроконтроллера (будем считать, что оно равно ровно 5 вольт). При этом, если подать на вход (3) ОУ напряжение 5 вольт, то получим ток в выходной цепи Iвых=Uрег/R27 =5/0,1= 50 ампер , что не входит в наши планы. Предельный ток устройства планировалось ограничить 5 амперами, значит максимальное напряжение на неинвертирующем входе ОУ и, соответственно, на резисторе R27 не должно превышать 0,5 вольт. Для этих целей используется резистивный делитель R15R16. Подстроечным резистором R16 производится калибровка выходного тока, т.е. с его помощью выставляется ток в выходной цепи в 5 ампер при максимальном напряжении, получаемом программно на конденсаторе C3. Благодаря использованию низкоомного резистора R27 и транзистора с низким сопротивлением Сток-Исток удалось достигнуть высокой стабильности тока при минимальном входном напряжении (см. характеристики выше). Резисторы R20,R22 и конденсатор C6 предотвращают самовозбуждение ОУ на высоких частотах. Несколько слов о типах элементов. Силовой транзистор выбран с низким управляемым напряжением из серии IRL так как вся схема питается напряжением 5 вольт. ОУ LMV358ID типа rail-to-rail, то-есть позволяет получить на выходе напряжение практически от нуля до напряжения питания, что в данном случае важно для управления полевым транзистором. Конденсатор C3 выбирался с достаточно стабильным диэлектриком X7R, так как изменение его емкости в больших пределах при различных дестабилизирующих факторах (нагрев, изменение постоянного напряжения) не желательно. Кстати, неплохая статья по этому поводу. Это все, что касается управляемой силовой части устройства.

2.3. Цепи измерения, коммутации и сигнализации

Реле К1 предназначено для переключения тестируемого аккумулятора из режима разрядки в режим зарядки (используется только в канале А). Реле управляется с вывода D12 платы Arduino Nano посредством транзистора VT3. Светодиод HL3 сигнализирует о включении реле. При использовании режима зарядки необходимо подключить внешний источник питания к клеммам +U и -U с напряжением, превышающим максимальное зарядное напряжение аккумулятора минимум на 1 вольт.

Вентилятор охлаждения управляется с вывода D6 платы Arduino Nano посредством транзистора VT2. При этом если устройство питается от внешнего источника питания, то на вентилятор подается именно это напряжение для увеличения скорости вращения, что позволяет рассеивать максимальную мощность, указанную в характеристиках устройства.

Так же на плате расположены два светодиода (HL1, HL2) и зуммер (HA1), которые могут использоваться на усмотрение пользователя для индикации различных режимов работы источника тока.

Цифровой датчик температуры DS18B20 закреплен на радиаторе и позволяет контролировать температуру последнего и программно задавать алгоритм включения вентилятора охлаждения.

Для измерения напряжения используются аналоговые входы A0, A1, A2 платы Arduino Nano. Так как предусмотрено измерение напряжения до 18 вольт, то для уменьшения напряжения используются соответствующие резистивные делители — R7R8, R9R10, R11R12.

Конденсаторы C1 и C2 обеспечивают устойчивость работы встроенного в плату Arduino Nano интегрального стабилизатора напряжения. Диод VD4 защищает устройство от случайной переполюсовки внешнего источника питания.

В конструкции источника тока предусмотрено подключение встраиваемых ампервольтметров. Подключаются они к клеммным колодкам XS2 и XS4 (для каждого канала свой отдельный прибор). На Али их продается великое множество. Я использовал такой:

На схеме на контактных колодках XS2 и XS4 обозначены цвета проводников указанного ампервольтметра. При использовании других приборов необходимо их подключать в соответствии с инструкцией.

3. Конструкция устройства

Для установки электронных компонентов источника тока была разработана печатная плата размерами 100х78 мм. Плата была разведена в программе Sprint Layout 5.0. Ниже на фото показана плата с установленными компонентами. Часть компонентов схемы установлено со стороны печатных проводников с обратной стороны платы. Транзисторы установлены на общем радиаторе через теплопроводящие прокладки НОМАКОН. Транзисторы находятся под радиатором в горизонтальном положении. Там же под радиатором закреплен датчик температуры DS18B20. Скачать файл платы в формате Sprint Layout 5.0 можно в конце статьи.

Источник

Ардуино стабилизатор по току

Регулируемый стабилизатор напряжения с управлением от Arduino

На рисунке показана схеме регулируемого стабилизатора напряжения с управлением от Arduino. Регулируемый стабилизатор питается от нестабилизированного источника постоянного напряжения 28…35 В. Выходное напряжение стабилизатора регулируется от 0 до 25 В, выходной ток до 3 А. В стабилизаторе предусмотрена плавная регулировка выходного напряжения, защита от короткого замыкания выхода и стабилизация тока при превышении заданного значения. Дополнительно применена температурная защита от перегрева выходного транзистора.

Регулируемый стабилизатор напряжения с управлением от Arduino

Схема стабилизатора напряжения условно поделена на две части, цифровую (Arduino, ЦАП, АЦП, индикатор и кнопки управления) и силовую. В силовой части используется параметрический стабилизатор на 27 В для питания ОУ LM358 который имеет максимальное напряжение питания 32В, что позволяет запитывать схему стабилизатора напряжением выше 32 В. Функцию регулирующего элемента осуществляется транзисторами КТ315Г и КТ825Г которыми управляет ОУ, на инвертирующий вход ОУ подается напряжение пропорциональное выходному, а на неинвертирующий опорное напряжение. Транзистор КТ825Г необходимо установить на теплоотвод площадью не менее 400 кв. см.

Цифровая часть схемы содержит АЦП и ЦАП, выходное напряжение задается 12-битным ЦАП MCP4725, напряжение с которого подается на неинвертирующий вход ОУ LM358, регулировка имеет 4096 ступеней (12 бит). АЦП 16 бит ADS1115 контролирует напряжение шунта, которое при токе 3 А не превышает 300 мВ. АЦП и ЦАП выполнены в виде готовых модулей, которые управляются при помощи шины I2C. Для устранения влияния шунта на выходное напряжение при изменении тока нагрузки, применена программная поправка выходного напряжения.

Температурная защита реализована на цифровом датчике (модуль) DS18B20, датчик необходимо закрепить на транзисторе КТ825Г. При превышении температуры корпуса транзистора больше 85 °С, выходное напряжение стабилизатора будет отключено на 10 секунд. Так же при КЗ выхода стабилизатора выходное напряжение также будет отключено на 10 секунд. При срабатывании защиты на экран выводится соответствующая надпись.

Читайте также:  Электрическая схема регулирования силы тока

Питание всей цифровой части стабилизатора напряжения подается от интегрального стабилизатора 7805, так как входное напряжение стабилизатора 7805 выше 30 В, то питание на него подается через токоограничивающий резистор 160 Ом. Так же на стабилизатор 7805 необходимо установить небольшой теплоотвод.

Управление стабилизатором достаточно простое, кнопки «плюс» и «минус» регулируют выходное напряжение, а при нажатии и удержании кнопки «ток» кнопками «плюс» и «минус» устанавливается выходной ток. При превышении заданного тока, выходной ток перестанет расти и остановится на отметке максимального установленного тока, напряжение при этом уменьшится.

На видео показана демонстрация работы стабилизатора, периодически подключается нагрузка 10 Ом.

Источник



Простой стабилизатор напряжения на основе LM317T

Привет, Друзья! У меня есть парочка контроллеров Arduino Pro Mini, которые были куплены на Aliexpress по цене пару баксов за штуку. И естественно захотелось заюзать контролер в своих проектах. Я давай искать как Pro Mini питать током и каким именно. В интернетах пишут, что в Pro Mini встоенный стабилизатор тока и котроллер можно запитать током до 12 вольт и 1-1,5 Ампер, по аналогии с Arduino Nano. Подав такое напряжение на плату, с удивлением наблюдал всем известный сизый дымок. Понял, что напряжение и ток нужно снизить до значений как у USB в ПК. Для своего проекта заложил блок питания на 12 вольт и 2 ампера и понятно, что проще будет использовать понижающее устройство, для питания контроллера. Как раз в наличии имеется парочка линейных стабилизаторов LM317T, вот я и решил их использовать в деле. Раньше я делал лабораторный блок питания на основе этой же микросхемы, поэтому проблем быть не должно. Тем более нашел в сети конструкцию стабилизатора всего из 4-х деталек, что есть жирный плюс в пользу миниатюрности.

Читайте также:  Возрастание тока в цепи самоиндукция

Первая стандартная схема подключения была взята из даташита и она управляет только напряжением:

Есть там схемы и для управления током в паре с напряжением, но мне они показались сложны из-за дополнительных деталек в виде транзисторов, резисторов и диодов.

Чуть углубившись в сеть, нашел схему по проще где она предлагает регулировку как напряжения, так и тока.

И эта схема оказалась самым верным решением. Просчитал схему и появилась нужда в резисторе на 2 ома, которого у меня нет и наверно не бывает (может и есть, но я не видел). В итоге сопротивление сделал сам в популярном корпусе “намотал на картонку”.

Источник