Vorige: LabVoeding.   Omhoog: Voedingen.   Volgende: Bijlagen.
Inhoudsopgave   Index


Labvoeding82 V1.


Voorstelling.

Wie enigzins bekend is met voedingen, en het getal “82” ziet staan, weet meteen waarover het gaat. In het decembernummer van 1982 publiceerde Elektuur een labvoeding die ―ondanks haar eenvoud― bijzonder goed presteert.

Bovendien is deze voeding eenvoudig aan te passen, zodat ze digitaal kan aangestuurd worden. Om te begrijpen hoe dat kan uitgevoerd worden, kan een sterk-vereenvoudigd schema meer duidelijkheid verschaffen:

ElektuurvoedingEenvoudig.png

Links zien we een symmetrische hulpvoeding, die tevens een stabiele referentiespanning levert. Merk op, dat de GND van deze hulpvoeding verbonden is met de positieve uitgang van de voeding.

De inverterende ingang van de opamp (IC1) is met GND verbonden. Dat betekent, dat de opamp zijn uitgang zodanig zal bijregelen, tot er ook op de niet-inverterende ingang 0Volt komt te staan.
De meest-eenvoudige situatie is deze: stel P1 zodanig in, dat zijn weerstand precies 10k bedraagt. Aan de “hete” kant van R1 staat 7.15V. De opamp zal nu T1 zodanig opensturen, dat de uitgangsspanning óók 7.15V bedraagt. De spanningen over R1 en over P1 zijn dan gelijk, en de spanning op de niet-inverterende ingang van de opamp is gelijk aan de spanning op zijn inverterende ingang: 0Volt.
Verhoog de weerstand van P1 tot 20k, en de opamp zal de spanning daarover, en tevens de uitgangsspanning, verdubbelen tot 14.3V om de spanning op de niet-inverterende ingang op 0Volt te brengen.

Hoe maak je daar nu een digitaal-gestuurde regeling van?
Niet door P1 te vervangen door een digitale potmeter. Digitale potmeters die zoiets aankunnen ga je nergens vinden
Wat wèl kan, is P1 vervangen door een vaste weerstand, en de referentiespanning instelbaar maken. Dat laatste is een eenvoudige klus met behulp van een DAC1.


Praktische uitvoering.

LV82V1Analoog.png

Dit ziet er heel wat ingewikkelder uit dan het voorgaande schema. Maar loop niet weg, het is eenvoudiger dan het lijkt.
Misschien kunnen we eerst de functie van enkele delen verklaren, die niet rechtstreeks bij de spanningsregeling betrokken zijn. Die kunnen we dan verder negeren.

Reset1.

R8, R9, C4, D2, D3 en T2 vormen samen een reset-schakeling. Ze zorgen er voor, dat de uitgangsspanning gegarandeerd 0v is, en dat enige tijd blijft na het inschakelen van de voeding.
Bij dat inschakelen krijgt T2 voldoende basisstroom om de basis van T1 kort te sluiten naar GND, zodat deze de eindtrap niet kan opensturen. Zodra C4 opgeladen is, hebben deze componenten geen invloed meer op de voeding.
D2 zorgt er voor, dat C4 snel ontladen wordt bij het uitschakelen van de voedingsspanning. D3 zal daarbij beletten, dat er op de basis van T2 een negatieve spanning komt te staan.

Reset2.

Dr1 en Rel1 vormen samen een tweede reset.

Als er wat misloopt, is het altijd handig wanneer er een knop voorhanden is, die de uitgangsspanning van de voeding onmiddelijk naar 0Volt terugbrengt.
Dat is hier de taak van Dr1. Hij activeert relais Rel1, dat vier taken vervult:

Rel1 mag een 12V-relais zijn. Door Dr1 in te drukken komt er weliswaar 15V over de relaisspoel te staan, maar een 12V-relais kan die kortstondige overspanning met gemak aan.
Er moet wel gekozen worden voor een relais dat 10A of meer kan schakelen. Bij gebrek aan een 4-polig relais kunnen meerdere stuks parallel geplaatst worden.

Offset-adjust.

Met P1 kan een mogelijke offset-fout aan de ingangen van IC1 bijgesteld worden, zodat die de uitgang van de voeding precies 0Volt is als de uitgang van de DAC1 0Volt bedraagt.
P2 doet hetzelfde, maar dan voor IC2.

De spanningsregeling.

Nu kunnen we aan de eigenlijke spanningsregeling beginnen.

DAC1 levert een spanning tussen 0Volt en 5Volt. Het hoeft geen betoog, dat die spanning stabiel moet zijn - er dient dan ook de nodige zorg besteed te worden aan de voeding waaruit de DAC zijn stroom betrekt.
De uitgangsspanning van DAC1 komt op de niet-inverterende ingang van IC1 terecht. IC1 gaat nu de basisstroom van T1 zodanig afknijpen, dat de spanning op zijn inverterende ingang gelijk wordt aan de spanning op de niet-inverterende ingang.
Met behulp van P3 stellen we de maximum uitgangsspanning in. Daartoe wordt eerst de uitgangsspanning van DAC1 op 5Volt gebracht. P3 wordt nu zodanig ingesteld, dat de uitgangsspanning van de voeding 32767mV bedraagt. Dat lijkt een rare spanning, tot we het hexadecimaal uitdrukken: 0x7FFF. Als we nu een 15-bits DAC gebruiken, komt 1 bit precies overeen met 1mV.

C2 moet beletten dat er tijdens het regelproces overshoot ontstaat. Zoiets zou al snel oscillaties kunnen opleveren.
Anderzijds zorgen C1 en R3 er voor, dat IC1 afdoende kan reageren op snelle belastingsvariaties aan de uitgang van de voeding.

Dan zijn er nog D6 en D7. Deze dioden beletten dat het spanningsverschil tussen de ingangen van de opamp groter wordt dan 0.7Volt. Daarmee wordt voorkomen, dat dit spanningsverschil groter wordt dan hetgeen de opamp aankan.

De uitgangstrap bestaat hier uit vijf stuks TIP142, elk met een eigen emitterweerstand. Mits afdoende gekoeld, kunnen die samen zo'n 10A leveren. Men kan zondermeer eindtransistors weglaten of toevoegen, naargelang men minder of meer stroom wil kunnen afnemen.

De stroombegrenzing.

Ook de stroombegrenzing is grotendeels gebaseerd op het originele Elektuur-artikel.

R21 ... R24 vormen samen een shuntweerstand. IC2 vergelijkt de spanning over deze shunt met de uitgangsspanning van DAC2. Zodra de uitgangsstroom groter wordt dan is toegestaan, grijpt IC2 in. De manier van ingrijpen verschilt enigzins van de Elektuur- voeding. Daar beperkte IC2 de basisstroom van T1, net zoals IC1 doet. Ik laat IC2 de uitgangsspanning van DAC1 verlagen. Dat levert een rustiger gedrag op, maar de reactietijd wordt wel groter.
Net als bij de spanningsregeling is er een condensator voorzien (C3) die oscillatieneigingen moet onderdrukken.

T3 en de omringende componenten laten LED D9 oplichten, zodra IC2 actief wordt en zijn uitgang laag maakt.

De sturing.

De details van de sturing laat ik buiten beschouwing. Het is duidelijk, dat er een microcontroller en 2 DAC's aan te pas moeten komen. Zelf heb ik een ATmega88 gebruikt, maar ook andere μC's zijn geschikt voor de taak.

De DAC's

LV82V1-R2R-ladders.png Dan de DAC's. Wie wil, kan gebruik maken van een kant-en-klare DAC. 15-bits is ideaal, want dan kunnen we de uitgangsspanning instellen à rato van 1mV per bit. Wie tevreden is met minder, kan b.v. een 12-bits DAC gebruiken. Dat levert stappen op van 8mV, hetgeen nog steeds een bruikbare resolutie is.

Als alternatief kan met zelf een DAC samenstellen met twee schuifregisters en een handvol weerstanden, die als een R2R-netwerk geschakeld worden.

Dat ziet er dan zo uit. Belangrijk hierbij is, dat er precisie-weerstanden gebruikt worden. Ook moet er de nodige zorg besteed worden aan de voeding van de IC's.

Het deel rond T4 en T5 zorgt er voor, dat de schuifregisters hun uitgangen laag maken bij het inschakelen van de voedingsspanning.


RS232-communicatie.

OptoRS232.png

Wie een μC gebruikt, komt al snel op het idee om er mee te communiceren via een RS232-verbinding. Het is vaak handig, commando's te geven of gegevens op te vragen met de PC.

Hier zit wel een addertje onder het gras! Vooraan in dit artikel werd al aangegeven dat de GND van de sturing verbonden is met de positieve uitgang van de voeding. Dat houdt in, dat ook de GND van de μC en de GND van de RS232-verbinding daarmee verbonden is.
En dat kan voor problemen zorgen. Stel, dat je met een scoop aan de uitgang wil meten. De negatieve uitgang is, via de probe en de scoop, verbonden met de aarding van het lichtnet. De positieve uitgang is, via de RS232-verbinding en de PC, eveneens met die aarding verbonden. Moet ik nog meer zeggen?
Gelukkig valt dat probleem eenvoudig op te lossen door een optische koppeling aan te brengen in de RS232-verbinding:

Dat vergt slechts enkele onderdelen, maar helaas ook een afzonderlijke voeding.

Om dezelfde reden is het ook noodzakelijk, dat ―bij gebruik van een metalen behuizing― deze geen galvanisch contact maakt met de voeding!

Meten is weten.

Bij een labvoeding hoort een uitlezing. We willen immers zowel de uitgangsspanning als de uitgangsstroom kennen.

Het meten van de stroom is eenvoudig; de spanning over shuntweerstanden R21 ... R24 is immers een maat voor de stroom. Dat is een waarde die de μC kan meten en op zijn display tonen, als hij over een ADC-ingang beschikt.

De spanning is wat moeilijker. De spanning op het punt waar we moeten meten, is immers negatief t.o.v. de GND.
Dat kan echter opgelost worden, door eerst de uitgangsspanning te vertalen naar een spanning tussen 0Volt en -5Volt met behulp van een spanningsdeler, en vervolgens deze spanning te voeden aan een opamp die als inverterende 1X-versterker geschakeld is.
Een alternatief bestaat er in, enkele kant-en-klare digitale paneelmeters in te zetten. Dat verhoogt de kosten (ze hebben elk een eigen voeding nodig), maar ze zijn wel nauwkeuriger dan hetgeen met de doorsnee-ADC ingang van een μC gemeten kan worden. Die laatste zijn doorgaans maar 10-bits.

Wat kunnen we nog meten? De temperatuur van de koelplaat wellicht? Dat laat ons toe, actieve koeling te gebruiken en de fan enkel aan het werk te zetten als dat echt nodig is. Daardoor kunnen de afmetingen van de ganse voeding teruggedrongen worden.
Daarnaast kan de μC botweg de uitgangsspanning naar 0Volt terugbrengen, als blijkt dat de temperatuur van de koelplaat niet meer in de hand te houden is.



Voetnoot

...DAC 1
Digital/Analog-Convertor



Vorige: LabVoeding.   Omhoog: Voedingen.   Volgende: Bijlagen.
Inhoudsopgave   Index

Pros Robaer - 2014