PWM – Elektronsko krmiljen usmernik napajalnik

Ena osnovnih stvari, ki jo ima vsak elektronik na svoji delovni mizi poleg merilnega inštrumenta in spajkalnika, je zagotovo napajalnik.

Dober laboratorijski napajalnik je drag in zelo malo ljubiteljskih elektronikov si lahko privošči kaj takšnega (ker bomo denar prej porabili za material kot za nakup tako dragega napajalnika). Z malo dobre volje in denarja pa si ga lahko naredimo sami. Predstavljeni PWM napajalnik zmore do 1,5A izhodnega toka, ima nastavljivo izhodno napetost in izhodni tok, zaščito pred previsokim izhodnim tokom…

OBVESTILO: Članek je star, naredili smo novo verzijo: PWM II napajalnik, tokovni generator in polnilnik baterij

Dober napajalnik mora, razen dobrih električ­nih lastnosti, imeti še:

1. možnost natančne nastavitve izhodne napetosti,
2. tokovno zaščito, ki jo uporabnik nastavi po potrebi,
3. prikaz izhodne napetosti in toka in parametrov tokovne zaščite.

Pred časom mi je prijatelj pokazal podoben projekt in sem se odločil, da stvar malo posodobim, predvsem, da dodam tokovno zaščito, prikaz toka in napetosti na LCD displeju, možnost nastavitve zapoznitve tokovne zaščite (v primeru, da na napajalnik priklopite napravo, ki vsebuje velike elektrolitske kondenzatorje ali kakšen enosmerni motor, se lahko zgodi, da pregori varovalka ali tokovna zaščita izklopi zaradi trenutne preobremenitve). Zaradi tega sem dodal možnost zapoznitve pri delovanju tokovne zaščite.

Kaj je PWM?

PWM (Pulse Width Modulation) ali impulzno širinska modulacija je način moduliranja signala tako, da frekvenca impulzov ostaja nespremenjena, spreminja pa se odnos impulz/pavza. Frekvenca impulzov ni pomembna, pomemben je odnos impulz/pavza. Le-ta lahko variira od 0 do 100 %. Na sliki 1 so prikazane tri oblike signala; prva predstavlja 20 %, druga 50 %, tretja pa 80 %, kar lahko pomeni, preneseno v prakso, morda napetosti 2, 5 in 8 V. ATMega8 ima že vgrajene PWM izhode, in sicer OC1A, OC1B in OC2, na pinih PB1, PB2 in PB3.

V primeru, da na PWM izhod priklopimo nizkoprepusten RC filter (R1, C2) in bo frekvenca signala visoko iznad frekvence, določene s časovno konstanto RC, bo na izhodu filtra praktič­no enosmerna napetost, ki bo neposredno odvisna od razmerja signal/pavza. Ker lahko razmerje signal pavza spreminjamo v 255 korakih, bo tudi napetost na izhodu RC filtra spreminjana v teh enotah (korakih). Pri višini impulza 5 V bo korak:

U(korak) = 5 V/255 = 0,0196 V

Izhodna napetost usmernika je nekajkrat večja od 5 V, zato bomo tudi izhodno napetost lahko spreminjali z večjim korakom. V primeru, da bo maksimalna izhodna napetost napajalnika enaka 25 V, potem bo tudi korak spremembe 5-krat večji.

U(korak) = 0,0196 X 5 V

Izhoda iz RC filtra ne smemo priklopiti neposredno na moč­nostni del. Izhodna stopnja napajalnika ima zelo majhno vhodno upornost, ki bi vplivala na napetost iz filtra. Na izhod RC filtra moramo priklopiti ločevalni ojačevalnik (sledilnik), s katerim bomo preprečili vpliv bremena na ustvarjeno enosmerno napetost (U1A LM358). Za višjo izhodno napetost skrbi ojačevalnik, narejen z (U2B LM385). Izhodna napetost na izhodu U2B je odvisna od razmerja upornosti upora R3 in trimerja RT1.

Podana sta dva načrta za izdelavo usmernika, eden je prilagojen za tiste, ki bi radi samo preizkusili delovanje in bodo analogni del (katerega lahko sestavite na koščku preizkusne ploščice) priklopili neposredno na MiniPin testno ploščo. Drug načrt pa predstavlja celotno vezje, katero lahko sestavite na podanem tiskanem vezju.

Tisti, ki boste vezje priklopili na MiniPin testno ploščo, ne pozabite povezati minusa na analogni plošči z minusom MiniPina, če boste iz istega izvora napajali MiniPin in analogni del. Napajalni del MiniPina vsebuje mostič­ni usmernik Graetz in njegov minus ni minus vhodne napetosti! Prav tako bo potrebno nekaj sprememb na adapterju za ATMega8. Dobro bi bilo, da na pine 20 in 21 dodate kondenzatorje 100 nF proti masi. Ti kondenzatorji so potrebni zaradi tega, da zmanjšajo šum na AD pretvorniku. Dobro bi bilo, da je tudi AVcc na +5 V priklopljen preko dušilke ali vsaj upora 100 Ohmov.

Celotno vezje je razdeljeno na tri sklope:

1. usmernik,
2. analogni del,
3. digitalni del.

Usmernik je klasičen, izveden z diodami, vezanimi v mostič – Graetz vezju v obliki čipa, na izhodu katerega se nahaja zelo velik elektrolitski kondenzator za glajenje enosmerne napetosti. Ker za napajanje mikrokontrolerja potrebujemo tudi +5 V, je dodan 5 V regulator 78L05. Da bi se izognili motnjam, do katerih lahko pride v usmerniškem delu, pripeljemo napetost na regulator preko majhne upornosti R7. Namesto tega upora lahko uporabite tudi diodo ali dušilko reda velikosti 100 µH. Če vhodna napetost ne presega 15 V, potem zadostuje samo upor vrednosti 20 Ohmov.