Радиосхема

    

 

Блок питания с управлением на ПЛИС v1.0.

 

Автор: Nemod

 

Проект данного лабораторного блока питания возник только потому, что автор в своё время осваивал программируемую логику, ПЛИС фирмы Altera. Хотелось изготовить из них что-нибудь полезное. Проект выполнен в среде САПРа MAX-Plus-II v10.2. В БП использованы микросхемы CPLD, а именно EPM7128SLC-84. Семейство МАХ7000S выпускается до сих пор. Потому устройство вполне доступно для повторения. Впрочем, проект легко переработать под другой тип ПЛИС. Следует признать, что первый блин вышел комом, получилось сложное устройство, и весь процесс напоминает стрельбу из пушки по воробьям. Блок питания можно изготовить и более простым и дешевым способом. Но зато появились практические навыки в работе с САПРом и ПЛИС. А это основная цель проекта. Потому статья предназначена для ознакомительных целей.

.

 

Задачи, которые требовалось решить, не очень сложные:

1. Регулировка напряжения от 0 до 25 вольт с шагом 0,1 В;
2. Регулировка ограничения тока от 0,1 до 2,5 ампер с шагом 0,01 А;
3. Измерение напряжения в указанном диапазоне напряжений;
4. Измерение тока в указанном диапазоне;
5. Следящая температурная защита силового узла с принудительным охлаждением;
6. Триггерная защита при превышении: тока нагрузки свыше  2,7 А, температуры нагрева радиатора свыше 85-ти градусов и напряжения от установленной величины на 0,5 вольта;
7. Управление режимами работы с помощью энкодера;
8. Ручной сброс триггерной защиты.

Поскольку ёмкость ПЛИС EPM7128SLС-84 составляет всего 128 макроячеек, пришлось использовать две микросхемы. Современные ПЛИС более объёмные и легко заменят данные микросхемы. Можно переработать проекты блока управления и индикации и поместить их в одну микросхему. Просто у автора тогда не было возможности использовать иную ПЛИС. А с течением времени желание заменить старые ПЛИС не возникло, хотя идеи по глубокой модернизации появлялись неоднократно. Однако лень и пресловутый принцип: «Не ломай, пока работает», всякий раз останавливали автора конструкции.

      Итак:
На первой ПЛИС сконфигурирован блок управления БП, включающий в себя:
- Устройство триггерной защиты;
- Реверсивный счётчик установки выходного напряжения;
- Реверсивный счётчик установки ограничения тока нагрузки;
- Цифровая система стабилизации тока нагрузки;
- Узел синхронизации работы внутренних и периферийных узлов;
- Узел обработки сигналов энкодера.

На второй ПЛИС реализован ампервольтметр постоянного тока с индикацией результата на двух трёхразрядных LED-индикаторах, и включает в себя:
- Устройство обработки данных с АЦП;
- Преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный;
- Устройство динамической индикации.

С целью дальнейшей модернизации, лабораторный источник питания разработан в модульном варианте. Это упрощает замену любого узла, правда, усложняет процесс изготовления. С течением времени вносились незначительные изменения в конструкцию прибора. На данном сайте выложена последняя работоспособная версия. Ошибки в схемотехнике и в топологии печатных плат исправлены.
Структурная схема блока питания показана на рисунке:

Конструктивно источник питания состоит из четырёх модулей:
- Блок управления D1 включает в себя: две ПЛИС EPM7128SLС-84, субмодуль задающего генератора и субмодуль термоконтроля, а так же формирователь импульсов на микросхеме семейства SN74xx14 (КР1533ТЛ2 например).
- Стабилизатор A1 содержит: выпрямители (как основной, так и вспомогательные), источник опорного напряжения, ЦАП, датчик температуры, стабилизатор питания цифровой части, стабилизатор питания аналоговой части, датчик выходного напряжения, а так же основной компенсационный стабилизатор.
- Плата индикации D2 состоит: из двух трёхразрядных семисегментных светодиодных индикаторов с общим анодом и драйвера питания анодных цепей.
- Плата исполнительных устройств A2 включает в себя: АЦП тока и напряжения (измерения проводится практически на выходных клеммах), ИОН,  датчик тока, индикаторы предельных режимов работы, реле отключения нагрузки, реле переключения обмоток силового трансформатора, драйвер реле.

Силовой трансформатор тороидальный, габаритная мощность около 120 Вт. Две силовые обмотки (выпрямленное напряжение +15В, ток не менее 3 А)  коммутируются отдельным реле с целью уменьшения падения напряжения на регулирующем транзисторе. Слаботочные обмотки - одна (выпрямленное +36…40В, ток не менее 100 мА) используется для формирования двуполярного напряжения  (питание аналоговой части), вторая (выпрямленное +12В, ток не менее 0,5 А) для питания цифровой части - специально не доматывались. Был использован готовый трансформатор, имеющийся в наличии. Отсюда и особенности формирования двуполярного напряжения с помощью удвоителя напряжения. При самостоятельном изготовлении блока питания, схемы вспомогательных выпрямителей и стабилизаторов можно изменить по собственному усмотрению, исходя из конструкции трансформатора, которым Вы располагаете.

Структурная схема ПЛИС блока Управления представлена на рисунке:

Делитель частоты делит последовательность импульсов, вырабатываемых тактовым генератором, на 32, после чего импульсы с частотой следования 1024 Гц поступают на ампервольтметр и используются для динамической индикации. Импульсы с частотой следования 32768 Гц поступают на формирователь тактовых импульсов внутри ПЛИС блока управления. Они синхронизируют работу внутренних узлов: вычитателя (система цифровой стабилизации тока), буферных регистров и внешних устройств: АЦП тока и напряжения и ЦАП установки выходного напряжения основного стабилизатора.

Формирователь импульсов энкодера состоит из: устройства подавления дребезга механических контактов (автор использовал оптический энкодер, но можно применить и более дешёвый механический, хотя с точки зрения надёжности оптический энкодер предпочтительнее, правда цена не в пользу оптического), коммутатора, формирователя счётной последовательности и формирователя направления счета. Далее обработанный сигнал энкодера через коммутатор, который определяет, что конкретно следует регулировать, ток или напряжение, поступает на нужный двоичный восьмиразрядный реверсивный счётчик. Управляет коммутатором кнопка конструктивно соединённая с валом энкодера. Так же эта кнопка осуществляет сброс защиты. Сброс является приоритетной функцией. Логика работы следующая: после включения блока питания нагрузка отключена от стабилизатора, давая возможность пользователю установить желаемое выходное напряжение. При этом горят все аварийные индикаторы, словно сработала защита. После нажатия на кнопку энкодера, защита сбрасывается, и выход стабилизатора подключается к нагрузке. По умолчанию, если после включения БП вал энкодера не вращали, выставляются предварительные настройки: напряжение 12 В, ограничение тока 2,5 А. Блок управления находится в режиме регулировки напряжения. Теперь следующее нажатие на кнопку энкодера переключит БП в режим регулировки ограничения тока. На амперметре вместо реального тока нагрузки будет отображено число 2,50 А. Посредством вращения вала энкодера устанавливаем желаемое значение ограничения тока в пределах 0…2,55 ампера с шагом 0,01 А. Очередное нажатие на кнопку вновь вернёт БП в режим регулировки напряжения. А вот если вдруг сработает одна из трёх защит (по превышению допустимого тока, напряжения или температуры), кнопкой энкодера можно осуществить лишь сброс триггерной защиты. Если после нажатия кнопки защита вновь сработает, то следует искать причину перегрузки БП. Ни о каких штатных регулировках речь уже не идёт. Триггерная защита наглухо «защёлкивается» при поступлении одного или нескольких сигналов с датчиков предельного значения вышеуказанных параметров. Сигнал управления с выхода триггерной защиты отключает нагрузку от выхода стабилизатора и зажигает нужный аварийный индикатор.

В штатном режиме работы двоичный код, соответствующий требуемому выходному напряжению, с выхода восьмиразрядного счётчика подаётся на цифровые входы ЦАП напряжения. Код с выхода счётчика установки ограничения тока через отдельный мультиплексор поступает на амперметр, сконфигурированный во второй ПЛИС. На другой вход мультиплексора  подаётся код, соответствующий реальному значению тока нагрузки с выхода АЦП тока. Управляет мультиплексором та же кнопка на валу энкодера.

Цифровая стабилизация ограничения тока работает следующим образом. На восьмиразрядный цифровой компаратор поступают одновременно оба кода, с АЦП и со счётчика предустановки ограничения тока. Пока код с АЦП меньше кода предустановки ограничения, схема не влияет на работу устройства. Как только кода сравняются, загорится индикатор превышения тока, при этом регулировка напряжения в большую сторону будет заблокирована. Но сам линейный стабилизатор блока питания – устройство инерционное, чему в большей степени способствует конденсатор довольно большой ёмкости на выходе БП. Поэтому чаще всего, в реальной ситуации, произойдёт превышение тока нагрузки относительно установленной величины ограничения тока. В этом случае индикатор перегрузки будет гореть две-три секунды даже после снятия перегрузки, а сигнал возникновения аварийной ситуации с выхода цифрового компаратора заставит вычитатель с каждым тактовым импульсом на один шаг уменьшать код на входе ЦАП с тем, чтобы соблюсти закон Ома. Тактовая частота вычитателя составляет 8192 Гц, что позволяет довольно быстро уменьшить значение выходного напряжения от максимума до нуля. Первоначально, после возникновения перегрузки по току, формирователь тактовых импульсов блокирует ручную регулировку напряжения (регулировка ограничения тока работает, но не думаю, что пользователь успеет крутануть вал энкодера). Затем вычитатель уменьшает цифровой код напряжения на одно значение, потом производится запись новых данных в регистр ЦАП, затем считывается код с выхода АЦП тока, потом компаратор сравнивает новые значения цифровых кодов. И так до тех пор, пока компаратор не скажет: «Хорош». Таким образом, осуществляется цифровая стабилизация тока. В итоге на индикаторах пользователь увидит уменьшенное (от первоначального значения) выходное напряжение и ток, близкий к  установленному пределу. Ошибка автоматической установки тока - двадцать-тридцать миллиампер. А причина ошибки – оксидный конденсатор на выходе блока питания. Добавьте к этому ещё погрешность связки: датчик тока - АЦП.

Структурная схема блока Индикации представлена на рисунке:

 

Динамическая индикация построена по типовой схеме. Одна ПЛИС заменяет приблизительно 18 микросхем «жёсткой» логики. Обновление информации 4 Гц.
АЦП напряжения, в отличие от АЦП тока, подключается непосредственно к ампервольтметру и служит лишь для визуального контроля выходного напряжения блока питания. Поэтому в ампервольтметре предусмотрен буферный регистр, временно запоминающий данные, которые поступают с АЦП напряжения. Код с АЦП тока или код предустановки ограничения тока приходит на ампервольтметр с блока управления, равно как и тактовые импульсы. Далее информационные сигналы преобразуются в двоично-десятичный код и поступают на коммутатор, управляемый формирователем адресного кода. Там производится выборка информационного кода для дешифратора знака. Формирователь адресного кода, в свою очередь, синхронизируется тактовыми импульсами. Готовый цифровой код адреса поступает на дешифратор адреса и далее на драйвер анодных цепей семисегментных LЕD-индикаторов. С дешифратора адреса и с коммутатора считывается информация для формирователя запятой и устройства гашения незначащего нуля. Дешифратор знака управляет катодами индикатора, плюс ко всему осуществляет гашение незначащего нуля в старшем разряде вольтметра.

Теперь обратимся к принципиальным схемам и непосредственно к конструкции блока питания. Он собран из того, что было в наличии на тот момент.
Блок управления смонтирован на отдельной двусторонней печатной плате. Верхняя сторона используется в качестве экрана. Здесь установлены микросхемы ПЛИС, субмодуль задающего генератора и субмодуль термоконтроля. Главное достоинство ПЛИС – это наличие универсальных портов, назначаемых пользователем. Потому удобно вначале развести плату по собственному усмотрению, а уж потом назначить выводы микросхемы ПЛИС.

Принципиальная схема задающего генератора – сама классика жанра. Подобную схему можно найти в документации на компаратор LM311.

Поскольку в нашем случае для работы блока управления высокая тактовая частота не нужна, а занимать дополнительными делителями объём ПЛИС нерационально, возникла идея использовать часовой кварц на 32768 Гц. Причём нет необходимости точно подстраивать частоту тактового генератора. У меня генератор вырабатывал частоту 32763 Гц. Ну и пусть. Это не часы. Основное требование к схеме – крутые фронты, иначе ПЛИС может просто не воспринять сигнал с пологими фронтами. Особенно на высокой частоте, что, правда, к нашему случаю не относится.

 

Увеличить

 

Принципиальная схема блока управления:
Микросхема DD1 (74НС14) – это шесть инверторов с порогом Шмитта. Три элемента формируют крутые фронты, «подправляя» импульсы, поступающие с выхода энкодера и со встроенной в него кнопки. Три других элемента делают то же самое, но уже с сигналами аварийных датчиков. Выходы формирователя подключены непосредственно к выводам ПЛИС DD2 блока управления.

К разъёму J1 подключён энкодер. К разъёму  J2 подключены АЦП, размещённые на плате исполнительных устройств. К разъёму J3 – ЦАП, установленный на плате стабилизатора. В разъём J4 вставляют субмодуль термоконтроля, а в разъём J5 – субмодуль задающего генератора. Разъёмы J6 и J7 связывают плату индикации с блоком управления. Через разъём J8 на плату исполнительных устройств поступают сигналы управления аварийным реле, реле переключения обмоток силового трансформатора и индикаторами аварийных режимов работы, а так же питание. Разъём J9 подключается к плате стабилизатора. Через него поступает питание цифровой части, питание реле, питание датчика температуры и сигнал с выхода датчика температуры. Также на ПЛИС приходит аварийный сигнал с датчика напряжения.

Особое внимание следует уделить цепям питания. Не следует пренебрегать блокировочными конденсаторами. А суммарная ёмкость оксидных конденсаторов должна составить не менее 1500 мкФ. Дело в том, что средний ток, потребляемый каждой ПЛИС на малой частоте, не превышает 90 мА, но импульсный ток может быть весьма значителен.

Подтягивающие резисторы на выводах программирования JTAG предусмотрены. Это позволяет подпаять провода от программатора непосредственно к выводам каждой ПЛИС. Если внутрисхемное программирование не планируется, монтировать резисторы R5 – R12 необязательно.
Микросхемы ПЛИС установлены в панельки PLCC-84 для монтажа в отверстие.

Разъём J1 – PLS-5. Разъём J2 - IDC20M. Разъёмы J3, J6, J7, J8, J9 марки IDC10М. Разъёмы J4, J5 – PLD-16. Лишние выводы удалены.

Резисторы R1-R3 типоразмера 805, остальные 1206. Неполярные конденсаторы керамические, все типоразмера 1206. Оксидные конденсаторы желательно применить малогабаритные с допустимым напряжением не менее 6,3 В.

Заземлять экран второй стороны печатной платы следует как можно ближе к выводам 3, 4 разъёма J9.

Энкодер оптический - EM14C0D-E24-L064S. Первоначально автор использовал механический энкодер РЕС-16. Но когда в наличии появился оптический энкодер, выбор был сделан окончательно. Оптика победила. Тем не менее, в конструкции можно применить любой энкодер с кнопкой. Количество вырабатываемых импульсов за один оборот вала принципиального значения не имеет, тут уж кому как больше нравится.

 

Субмодуль контроля температуры нагрева основного радиатора – аналоговое устройство. Схема проста и компактна, позволяет плавно регулировать обороты вентиляторов. На популярном ОУ LM358 собран узел управления вентиляторами. Питание нестабилизированное 14…18В. Первый ОУ в связке с мощным транзистором VT1 (КТ972А) образует бустер с общей цепью ООС. Усиление по напряжению около 4,3. На вход бустера поступает сигнал с датчика температуры AD22100КТ и, соответственно, усиливается в четыре с лишним раза. Нагрузка бустера – два весьма производительных вентилятора постоянного тока (охлаждение процессора в старом компьютере, ориентировочно Pentium - 3) размером 50х50 мм. Совместными усилиями вентиляторы охлаждают игольчатый радиатор размером 120х60х32 мм и потребляют до 300 мА. Поэтому транзистор VT1 установлен на теплоотвод, способный рассеять не менее 2 Вт. Несложно посчитать, что при высоких температурах основного радиатора на вентиляторы  будет подано напряжение, превышающее допустимые паспортные данные (более 12 В). Это сделано намеренно, поскольку радиатор маловат, потому предусмотрен форсированный режим работы. Впрочем, если кто-либо применит радиатор большей площади и вентиляторы большего размера, то надобность в столь экзотической схемотехнике отпадёт сама по себе.

 

Увеличить

 

На втором ОУ LM358 собран компаратор напряжения. Он сравнивает сигнал, приходящий с термодатчика, с опорным напряжением. Опорное напряжение определяет порог включения вентиляторов (приблизительно сорок градусов). Когда порог не превышен, низкий уровень выхода компаратора через диод VD1 шунтирует базовую цепь транзистора VT1. Вентиляторы не вращаются. Когда порог будет превышен, компаратор изменит выходной сигнал на противоположный. Диод закроется и перестанет мешать работе бустера.  На компараторе LM311 выполнено пороговое устройство аварийного превышения температуры радиатора. Порог срабатывания приблизительно 85 градусов. Компаратор, сработав, подаёт блоку управления команду нулевого логического уровня, отключая нагрузку стабилизатора. Применение данного компаратора вызвано тем, что его выходной каскад имеет открытый коллектор. Данное обстоятельство позволило легко согласовать сигнал субмодуля термоконтроля с уровнем ТТЛ. На микросхеме 78L05 выполнен стабилизатор, питающий датчик температуры (AD22100KТ) и цепи опорного напряжения субмодуля термоконтроля.

Блок индикации состоит из двух трёхразрядных семисегментных индикаторов. Индикатор BA56-12GWA или аналогичный с общим анодом. Драйвер анодных цепей - TD62783AF – восемь ключей с приличным (до 500 мА) вытекающим током. Разъёмы угловые IDC10М Ограничительные резисторы обеспечивают небольшой, не более 10 мА средний ток через светодиоды индикаторов. Яркость свечения вполне достаточная. Нет необходимости уменьшать сопротивление ограничительных резисторов менее 62...75 Ом. Резисторы R1-R8 типоразмера 0805. Нулевые резисторы (перемычки) типоразмера 1206.

Увеличить.

 

Блок исполнительных устройств - это мешанина всего того, что не уместилось или по той, либо иной причине не могло быть установлено на плате стабилизатора. Здесь размещены АЦП тока и напряжения (DD1, DD2 - AD7820LR), дифференциальный усилитель сигнала (DA1 AD8552) с датчика тока – проволочного резистора сопротивлением 0,02 R, делитель обратной связи основного стабилизатора – резисторы R1, R2, источник опорного напряжения DA2 TL431, реле отключения нагрузки KV2, реле переключения силовых обмоток трансформатора KV1, Индикаторы перегрузки и индикатор включения блока питания в сеть. Драйвер реле и индикаторов - микросхема DA3 ULN2003.

 

Увеличить

 

ФНЧ первого порядка на входе АЦП (R3, C4 и R4, C5) ослабляет переменную составляющую. Подстроечным резистором R1 устанавливают максимальное выходное напряжение (25,5 В) основного стабилизатора источника питания. Шнур, соединяющий  делитель с усилителем ошибки должен быть экранирован и подключён экранирующей оплёткой к земляной шине в одной точке, со стороны усилителя ошибки на плате стабилизатора. Резистором R5 калибруют вольтметр, а резистором R6 устанавливают на правом (по схеме) выводе резистора R15 образцовое напряжение 2,55 В (ИОН АЦП). От этого напряжения зависит точность работы цифровой стабилизации тока и ампервольтметра. Резисторы R14-R15 должны быть прецизионные. А все подстроечные резисторы – многооборотные, хорошего качества. Автор использовал резисторы 3006P-1-203 фирмы Bourns.

К разъёму ХР1 подключают вторичные силовые обмотки трансформатора. С клеммы Кл2 переменное напряжение подаётся на выпрямительный мост KBU806, установленный на плате стабилизатора.

На клемму Кл1 приходит напряжение с выхода основного стабилизатора, далее через контакты реле KV2 поступает на выходные клеммы источника питания. Выходные клеммы закреплены на лицевой панели корпуса блока питания. Проволочный резистор (R по схеме) включён в разрыв земляной шины. Падение напряжение на нём пропорционально току, протекающему через нагрузку. ОУ DA1 AD8552AR усиливает в 50 раз напряжение, падающее на резисторе, одновременно подавляя синфазную составляющую сигнала. Резисторы R8, R9 и R12, R13 прецизионные. Напряжение 1 В с выхода ОУ соответствует эквиваленту тока в 1А, протекающему через нагрузку блока питания. На втором ОУ микросхемы DA1 собран компаратор, следящий за уровнем тока в цепи нагрузки. Если ток по какой-либо причине превысит величину 2,7 А (последний рубеж обороны, поскольку цифровая система стабилизации обязана раньше ограничить ток нагрузки) сигнал низкого уровня будет подан на блок управления, где сработает триггерная защита, отключив нагрузку от блока питания. Низковольтный операционный усилитель AD8552AR питается от стабилизированного напряжения 5 В. Поэтому выходной сигнал компаратора полностью согласуется с уровнем ТТЛ.

Реле TX2SA-12V или аналогичные в SMD исполнении запитаны от нестабилизированного напряжения 12…15В. Переключающие контакты соединены параллельно с целью распределения токовой нагрузки.

 

Увеличить

 

Блок стабилизатора включает в себя: основной выпрямитель, вспомогательные выпрямители; питание аналоговой части и питание цифровой части, вспомогательные стабилизаторы, основной стабилизатор, ИОН и ЦАП установки выходного напряжения. Стабилизатор линейный, схема известная, появилась годах в семидесятых прошлого века, когда вышел в свет один из классических ОУ - мА741 (отечественный аналог 140УД7).

Основной выпрямитель: предохранитель FU2, мост VD5 - KBU806, сглаживающий конденсатор C13 (10000,0 мкФ х 50В) и блокировочный конденсатор C11 (К73-17 - 0,22мкф). Далее выпрямленное напряжение (17…20В в первом диапазоне и 35…38В во втором диапазоне) поступает на коллекторы составного транзистора VT1-VT2. VT2 – TIP142, VT1 – KT503E.  Переход коллектор-база транзистора VT2 зашунтирован керамическим конденсатором C16 ёмкостью 470 пикофарад с целью устранения паразитной генерации. Возможно, потребуется подбор конденсатора с другими типами (экземплярами) выходного транзистора. ИОН – DA3 TL431. Подстроечным резистором R5 (3296W-1-103 фирмы Bourns) устанавливают опорное напряжение 5,1 В на выходе ИОН. ЦАП – DA1 AD7524 в корпусе PLCC-20 желательно применить с минимальной неравномерностью преобразования (1/4 мл. разряда). ЦАП восьмиразрядный с буферным регистром. Он может делить опорное напряжение на 256 градаций. В нашем случае шаг составляет 20 мВ. Питается ЦАП от напряжения 5 В. Это необходимо для согласования с ТТЛ уровнем, поскольку управляющий код поступает с портов ПЛИС. Для надёжной совместной работы микросхем предусмотрены резисторы подтяжки (резисторная матрица R1) на входах ЦАП, так как AD7524 довольно старая КМОП – микросхема, и её логические уровни соответствуют классу микросхем семейства CD4xxx (К561). Внутреннего ОУ в ЦАП нет, поэтому использован внешний операционный усилитель DA2 AD823. Первый ОУ микросхемы AD823 исполняет роль преобразователя ток-напряжение. Поскольку ИОН выдаёт положительное напряжение, а преобразователь инвертирует опорное напряжение, второй ОУ AD823, включённый после преобразователя ток-напряжение, тоже инвертирует сигнал. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя 1. ООС частотозависимая. Посредством установки конденсатора C8 в цепи ООС получаем ФНЧ первого порядка с целью подавления пульсаций и шумов. Далее опорное напряжение поступает на неинвертирующий вход усилителя ошибки DA4 UA741. На инвертирующий вход подан сигнал обратной связи через делитель напряжения, смонтированный практически на выходных клеммах блока питания. Это позволяет в какой-то мере скомпенсировать потери на внутренних проводах при больших токах нагрузки. Выход усилителя ошибки соединён с базой транзистора VT1.

Питается аналоговая часть от отдельной обмотки трансформатора. Выпрямитель собран по схеме удвоителя напряжения с заземлённой средней точкой (VD1-VD2, C1-C2). В итоге одна обмотка трансформатора позволяет получить двуполярное напряжение около 36…38 В с жуткими пульсациями, более 1,5 В. Плюсовое плечо стабилизируется микросхемой DA5 LM7812 с «подпоркой» в виде стабилитрона VD3 (напряжение стабилизации 20 В) в цепи общего провода. Поэтому на выходе получаем напряжение +32 В. Оно необходимо для питания усилителя ошибки. После через гасящий резистор R4 питание поступает на следующий интегральный стабилизатор DA6 - LM7812. Напряжение +12 В используется для питания ОУ AD823 и для ИОН на TL431. Отрицательное напряжение через гасящий резистор R2 поступает на интегральный стабилизатор DA7 - LM79L12. Это минусовое питание ОУ AD823. Далее параметрический стабилизатор на стабилитроне VD4 - КС133А снижает напряжение до 3,3 В. От напряжения минус 3,3В запитан усилитель ошибки.

Цифровая часть тоже питается от отдельной обмотки. Выпрямительный мост VD6 - W01M и конденсатор C21 ёмкостью 4700,0 мкФх25В создают нестабилизированное напряжение 15…17 В. Оно использовано для питания реле, аварийных индикаторов, вентиляторов охлаждения радиатора и для питания цифровых микросхем через интегральный стабилизатор DA10 - LM7805, установленный на основном радиаторе.

Датчик напряжения собран на компараторе DA8 - LM311. Его задача сравнивать выходное напряжение основного стабилизатора с опорным напряжением. Делитель, подключённый к выходу стабилизатора, рассчитан так, что при нормальной работе блока питания с его выхода на компаратор поступает  сигнал немного ниже опорного напряжения, которое, в свою очередь, берётся с выхода ЦАП. Если по какой-либо причине, например пробой регулирующего транзистора, напряжение на выходе блока питания превысило значение, установленное пользователем более чем на полвольта, компаратор изменяет своё состояние, на выходе появится низкий логический уровень. Данный сигнал ПЛИС воспримет как сигнал опасности и отключит нагрузку от блока питания.

Аналоговый датчик температуры DA9 (AD22100KT) подключается к отдельным клеммам на плате стабилизатора, но непосредственного отношения к самому стабилизатору не имеет. Его сигнал проходит транзитом через плату стабилизатора и поступает в блок управления. Эта конструктивная особенность сделана для удобства. Меньше проводов. Сигнал идёт по общему десятипроводному шлейфу, соединяющему плату стабилизатора и блок управления. Датчик в корпусе ТО-92 крепится скобой на радиаторе в непосредственной близости от транзистора VT2.

Вентиляторы, напротив, напрямую подключаются к субмодулю термоконтроля, без промежуточных соединений и блужданий по шлейфам и платам блока питания. Соединительные провода следует свить в жгут, равно как и все остальные провода, за исключением ленточных шлейфов. Провода должны иметь минимально возможную длину.

Если монтаж выполнен без ошибок, применены исправные детали, прошивка залита в ПЛИС, процесс настройки блока питания сводится к установке опорного напряжения в блоке исполнительных устройств резистором R5 (напряжение 2,55В), установке опорного напряжения на плате стабилизатора (+5,1В), регулировке максимального значения напряжения на выходе основного компенсационного стабилизатора резистором R1 (+25,5В) и в последнюю очередь – калибровке вольтметра резистором R6. Последняя процедура, пожалуй, самая кропотливая. Так как АЦП восьмиразрядный, точность измерения ампервольтметра в диапазоне рабочих напряжений и токов невысокая. А если к этому присовокупить погрешность АЦП и ЦАП, то станет понятно, что ампервольтметр задумывался всего-навсего как посредственный индикатор напряжения и тока нагрузки. Разрешающая способность вольтметра 0,1В, амперметра – 0,01А. Для более точных измерений следует использовать специальные измерительные приборы. А в качестве визуального ориентира во время работы БП вполне сгодится и такой ампервольтметр.

В заключении необходимо убедиться, что система термоконтроля способна длительное время поддерживать нормальную температуру выходного транзистора источника питания. В противном случае, следует уменьшить тепловое сопротивление перехода корпус-радиатор, изменить коэффициент усиления бустера, либо применить более производительные вентиляторы или увеличить площадь радиатора.

Ампервольтметр на ПЛИС DD3 в блоке управления – сервисный узел, и может быть исключён из БП без какого-либо ущерба для работы устройства в целом.  Необходимость такого варианта может возникнуть в том случае, если по той, либо иной причине в качестве визуального отображения значения основных параметров БП будет применён другой тип ампервольтметра уже имеющийся в наличии, начиная со стрелочного индикатора, готового модуля, специализированного АЦП, например ICL7107, и заканчивая микроконтроллером. Тогда надобность в АЦП DD1 в блоке исполнительных устройств и надобность в блоке индикации тоже отпадает.

Корпус для РЭА G729V фирмы Gainta Industries. Размер 260х180х65 мм, пластик, светло-серый, темно-серая панель, с вентиляционными отверстиями. Для устранения деформации корпуса из-за тяжести силового трансформатора к днищу привинчена винтами железная пластина подходящего размера. Это видно на фотографиях. Задняя панель была заменена на дюраль толщиной 1...1,2 мм. Фальшпанель нарисована в программе Sprint Layout, после распечатана негативно на обычном принтере, затем будущая панель заламинирована. Все отверстия кроме индикаторного (очень аккуратно) вырезаются скальпелем или пробойником. Потом готовая фальшпанель приклеивается к передней пластиковой панели клеем. В проём индикатора с обратной стороны можно поместить тонкий светофильтр для увеличения контрастности. Автор статьи этого не сделал по причине отсутствия подходящего материала, что заметно на фотографии внизу. Для сравнения приведён мультиметр ВР-11А.

P. S. В конце концов, блок питания занял достойное место в домашней мастерской и работает уже много лет. Но история на этом не заканчивается. Скоро выйдет в свет вторая версия лабораторного блока питания. За счёт применения более объёмной ПЛИС и осмысления недостатков первого варианта введено больше сервисных функций, изменена функциональная схема и элементная база основного стабилизатора. Но об этом рассказ ещё впереди.

В процессе отладки:

 

 

 

Архив со схемой в формате jpg, платы в формате Dip Trace 2.2 и Sprint-Layout 5, плюс файлы конфигурации ПЛИС.

Архив содержит текстовый документ с разъяснениями и рекомендациями.