PWM III
PWM napajalnik doživlja svojo tretjo renesanso. Od takrat, ko je luč sveta ugledala prva verzija PWM napajalnika, je minilo kar nekaj časa. V vsem tem času smo iz ur in ur redne uporabe videli različne možnosti nadgradnje.
Kratka zgodovina
Prvi PWM napajalnik je nastal daljnega leta 2010, ko je avtor Vlado Berent napisal prvi članek o PWM napajalniku. Z uporabo smo ugotovili, da bi bilo simpatično vedeti, kakšen je izhodni tok napajalnika, zato smo mu dodali vezje za merjenje toka z INA138. Nekateri bralci ste naročili ta dodatek, marsikdo pa je počakal na novo verzijo TIV, na kateri se je že nahajal INA138 in ustrezno vezje za merjenje toka. Tako smo dobili tudi možnost izklopa napajalnika v primeru preseženega najvišjega nastavljenega toka. S tem so se tudi odprla vrata za naslednjo veliko spremembo, ki jo je naredil Marko Sajovic, ko je PWM napajalnik nadgradil na polnilnik/praznilnik različnih baterij. Temu smo kasneje dodali še generator stabilnega toka in pa voltmeter. Ker so se z leti uporabe tipke izkazale za uporabniku neprijazno rešitev, smo namesto tipk uporabili enkoder s tipko in pa manjši 2×8 LCD, s katerim smo PWM II napajalnik lahko vgradili v relativno majhno ohišje. Zgodovina izgleda PWM se vidi na slikah od 1 do 6.
Slika 1-6: PWM zgodovina izgleda izdelka in njegovega displeja.In danes…
Tisti, ki sledite revijo Svet elektronike veste, da smo pred kakšnim letom naredili Vikend radijsko postajo. Sprva je imela 2×16 LCD, ki pa ga je hitro zamenjal Nokia 5510 grafični LCD, ki omogoča prikaz precej večjega števila informacij. In seveda se je sčasoma PWM II skupaj z Vikend radijsko postajo začel prodajati tudi v tujini. Od enega od tujih kupcev smo dobili zanimivo vprašanje: kako vem, na kakšno napetost je nastavljen PWM napajalnik preden vklopim izhodno napetost? Namreč nikjer na LCD-ju nismo imeli napisano, kakšna je bila zadnja nastavljena napetost.
Slika 7: PWM III izdelan in preizkušen. Slika 8: KIT PWM III (TIV + CPU) Slika 9-13: Od leve proti desni ekrani izpisani na PWM III!
Upravičeno vprašanje, ki pa v izvedbi z 2×8 LCD ni imelo pametne rešitve. Na 2×8 LCD je že tako zelo malo prostora in enostavno ni bilo prostora, da bi dodali še izpis zadnje nastavljene napetosti. Tako se je kot rešitev ponudil Nokia 5510 LCD.
PWM III
Tako se je rodil napajalnik z imenom PWM III. Razen spremembe LCD-ja, vezave enkoderja in seveda spremembe programske opreme nismo naredil nič dramatičnega. Ravno nasprotno – tisti, ki bi želeli nadgraditi vaš obstoječi PWM napajalnik boste to lahko naredili enostavno: zamenjate LCD in mikrokontroler, malce drugače povežete enkoder ter zamenjate sprednjo ploščo ohišja.
Slika 15, 16, 17: Vezava kondenzatorja, upora in vezice na LCD-ju Slika 18: Priklopno mesto na tiskanem vezju. Slika 19: Priklop enkoderja.
PWM III ponuja nove funkcionalnosti, ki so predvsem povezane z bolj razkošnim izpisom na LCD-ju:
- 1. na LCD-ju prikazujemo zadnjo nastavljeno napetost preden vklopimo funkcijo napetostnega generatorja. Tako že pred priklopom bremena vidimo, ali bo nastavljena napetost previsoka ali bo primerna za našo napravo, slika 9
- 2. na LCD-ju prikazujemo nastavljeni maksimalni dovoljeni tok. Ko hkrati spremljamo trenutni izmerjeni tok tudi vidimo, ali smo blizu nastavljenemu maksimalnemu dovoljenemu toku, slika 10
- 3. pri tokovnem generatorju lahko spremljamo napetost na bremenu pri nastavljenem toku, slika 11 in 12
- 4. pri polnilniku baterij spremljamo status (polnjenje/praznjenje) in ostale parametre, slika 13
- 5. večji LCD omogoča tudi lepše izpise na LCD-ju.
Navodila za predelavo
V kolikor že imate narejen PWM II napajalnik bo predelava v PWM III enostavna, saj se obstoječi TIV popolnoma nič ne spremeni razen tega da na predvideno mesto za R9 prispajkamo upor 10k. Namesto 2×16 ali 2×8 LCD-ja priklopimo Nokia 5510 LCD po shemi na sliki 14. R7, R16 in C2 se prispajkajo na Nokia LCD. Tudi prevezave na LCD-ju se ne nahajajo na TIV, pač pa jih je potrebno narediti na LCD modulu, kot vidimo na slikah 15, 16 in 17.
Slika 14: Shema vezave LCD na obstoječi TIV
Priklop enkoderja izvedemo glede na sliki 18 in 19 takole: A povežemo na T1, B povežemo na T2, stikalo SW povežemo na T4, masa na Pin 1 konektorja CON3.
Na sliki 14 vidite celotno shemo PWM III napajalnika zato, da imate celotno sliko na enem mestu.
Sestavljanje
Tiskano vezje sestavljamo tako, da najprej prispajkamo vse SMD elemente – razen velikih Shottky diod, ki jih prispajkamo čisto pri koncu sestavljanja. Na slikah 20 in 21 boste opazili, da je upor R5 prispajkan na kratke žičke in je montiran na mostičnem usmerniku.
Slika 20, 21 in 22: Tiskano vezje zgoraj in spodaj.
Ko smo prispajkali vse elemente, še prispajkamo dve SMD Schottky diodi.
Pred prvim priklopom spojimo izhodni tranzistor Q1 na TIV, Q2 pa za enkrat ne spojimo na vezje.
Za LCD prikazovalnik so predvidene moške letvice, na katere bomo spojili ženske letvice, ki so preko ploščatega kabla spojene na LCD. Lahko bi seveda povezali LCD neposredno na TIV, odločitev prepuščamo vsakemu posamezniku.
Montaža LCD-ja na ohišje
Pri montaži LCD-ja na prednjo ploščo je potrebne nekaj previdnosti in natančnosti, če želimo da bo izgled našega napajalnika lep.
Slika 23: Povezava_PWM III.pdf Prednja plošča ima nalepljeno zaščitno brezbarvno folijo, ko jo morate predhodno odstraniti s plošče. Nato prilepite 4 dvostranske samolepilne trakove poleg odprtine za LCD na notranji strani ohišja, kot vidite na sliki 24 in 25. Če želite si lahko za tri stranice trak razpolovite. Prostor za LCD je označen z štirimi zunanjimi robovi. Ti robovi so namenjeni za postavitev LCD-ja kot, je videti na sliki 26. Preden prilepite LCD, ga morate sestavit (prispajkati material in letvico) in odstranite zaščitno folijo iz LCD-ja. LCD nežno pritisnite na samolepilni trak in vklopite že delujoč PWM napajalnik. Če ste zadovoljni z postavitvijo LCD-ja, se PWM napajalnik izključi in LCD se močneje pritrdi na samolepilni trak. Če želite LCD poravnati, ga previdno primite (pri tem pazite, da se ne dotaknete omrežne 230V napetosti, ker je to lahko smrtno nevarno!!) in ga poravnate.
Slika 24-26: Montaža dvostranskega samolepilnega traku na prednjo ploščo.
Umerjanje
Izdelek umerjamo, ko je že sestavljen in vstavljen v ohišje brez pokrova.
Na vrstno sponko V1 priklopimo ustrezni transformator (enosmerna napetost na usmerniškem mostiču naj ne presega 25 V!). Na izhodne sponke V2 priklopimo voltmeter.
Ob vklopu bo vrednost PWM-ja najvišja (255) in bo tudi izhodna napetost najvišja. Potem s trimer potenciometrom RT1 nastavimo maksimalno izhodno napetost, ki naj bo vsaj za 3 V nižja od napetosti na usmerniškem mostiču. Napetosti opazujemo na posebnem inštrumentu in ne na LCD displeju, ker nam ta še ne kaže pravih vrednosti.
Ko smo na izhodu usmernika nastavili napetost, lahko nadaljujemo z nastavitvijo prikaza na LCD-ju (to je potrebno zaradi padca napetosti na tranzistorju).
S trimer potenciometrom RT2 nastavimo tako, da bo vrednost prikaza na LCD-ju enaka vrednosti, ki jo kaže naš voltmeter.
Vrednosti v programu so nastavljene za maksimalno 20,46 V izhodne napetosti.
Ko smo nastavili prikaz na inštrumentu, z enkoderjem spreminjamo napetost in opazujemo, ali nam na NOKIA LCD-ju prikazuje enako vrednost kot zunanji voltmeter. Odstopati sme največ 100 mV, kar je posledica nelinearnosti AD pretvornika.
S tem je umerjanje končano in usmernik lahko zaprete v ohišje in ga uporabljate pri delu.
Opis programa
Ob zagonu naprave se najprej na zaslonu pojavi osnovni menu (slika 27), kjer se odločimo, kateri del naprave bomo uporabljali oziroma kateri del podprograma bomo pognali. Z vrtenjem enkoderja izberemo podprogram za polnilnik, napetostni generator ali tokovni generator. Z dolgim pritiskom na tipko enkoderja se vrnemo iz podprogramov nazaj v glavni menu. Vsak kratek pritisk na tipko aktivira tudi vgrajen piskač, ki nam signalizira, kdaj je tipka pritisnjena. Glavni meniji so vidni na sliki 28.
Slika 27: LCD zasloni osnovnega menija. Slika 28: LCD zasloni glavnih menijev. Slika 29: LCD zaslon napetostnega generatorja.Napajalnik – napetostni generator
Če izberemo meni »U – GEN« zaženemo podprogram za napetostni generator, katerega delovanje oziroma zaslon prikazuje slika 29. Prva vrstica prikazuje nastavljeno napetost, nastavljeni maksimalni dovoljeni tok in dejanski tok.
Za napetostni generator sem uporabil 10 bitni PWM kar pomeni, da je celotno področje napetosti razdeljeno na 1024 enot oziroma korakov. Tako konfiguracijo lahko naredimo preprosto z ukazom v Bascom-AVR programu.
Config Timer1 = Pwm , Pwm = 10 , Compare A
Pwm = Clear Down , Prescale = 1
Predlagam, da si kot najvišjo napetost na napajalniku nastavite 20,46 V. S tem nastavimo napetost koraka na 20 mV, oziroma vsaka sprememba na enkoderju z majhnim korakom bo povečala / zmanjšala nastavljeno napetost za 20 mV. Vgrajena je tudi možnost hitrega nastavljanja napetosti in sicer tako, da na kratko pritisnemo tipko enkoderja. Dolg pritisk na tipko enkoderja nas vrne nazaj v osnovni menu.
Tokovno zaščito nastavljamo v meniju »I OFF« (slika 30). Z vrtenjem enkoderja povečamo / zmanjšamo tok omejitve za 10 mA. V meniju »T OFF« nastavimo izklopni čas (slika 31). Tudi tukaj z vertenjem ekonderja povečujemo / zmanjšujemo izklopni čas za 1 ms. Z dolgim pritiskom na tipko enkoderja se vrnemo v izbor menijev. Med nastavljanjem tokovne zaščite je napetostni generator izklopljen.
Tokovni generator
Če izberemo meni »I – GEN«, izberemo podprogram za tokovni generator, katerega delovanje oziroma zaslon prikazuje slika 32 . Prva vrstica na zaslonu prikazuje dejanski tok in napetost, druga pa nastavljen tok in vrednost PWM (slika 11). Tokovni generator uporablja 11 bitni PWM, kar pri priporočenih nastavitvah pomeni, da je napetost koraka 10 mV. Bascom ukaz CONFIG TIMER žal ne podpira več kot 10 bitnega PWM, zato moramo 11 bitni PWM konfigurirati z vpisom neposredno v registre.
Icr1 = 2048
Tccr1a = &B10000010
Tccr1b = &B00011001
Za razlago bitov v posameznem registru poglejte v data sheet procesorja. Ob vstopu v podprogram je tokovni generator vedno izklopljen. Z vrtenjem enkoderja nastavljamo tok tokovnega generatorja v korakih po 10 mA. Tokovni generator vključimo in izključimo s kratkim pritiskom tipko enkoderja (slika 12). Med delovanjem tokovnega generatorja lahko prav tako nastavljamo tok (z vrtenjem enkoderja). Program počasi povečuje napetost in kontrolira tok, dokler ne pride do nastavljene vrednosti toka. V program je vgrajena tudi varovalka, ki izklopi tokovni generator, če tok za polovico preseže nastavljeno vrednost. Taka situacija je povsem verjetna, ko kaj testiramo in pozabimo tokovni generator vključen. Govorim iz lastnih izkušenj pri testiranju programa. Preden zapustimo tokovni generator, ga moramo obvezno izključiti s kratkim pritiskom na tipko enkoderja.
Polnilnik/praznilnik baterij
Največ časa sem posvetil razvoju polnilnika akumulatorjev. Želel sem imeti polnilnik, ki vsebuje oba, v trgovinah dosegljiva polnilnika. Kupimo lahko hitri ali standarden polnilnik akumulatorjev. Slabost hitrega je, da z njim ne moremo polniti akumulatorjev, ki ne dovoljujejo hitrega polnjenja in zato potrebujemo še standardni polnilnik. Pri teh pa ponavadi ne moremo poljubno nastavljati toka polnjenja in nimajo vgrajenega časovnika, ki po določene času izklopi polnjenje. Naš PWM polnilnik omogoča oboje. Polnilnik je sposoben akumulatorje pred praznjenjem ali na zahtevo izprazniti in s tem izmeriti preostalo kapaciteto v akumulatorjih. Tok praznjenja je enak toku polnjenja v primeru, da je tok polnjenja manjši od 1A. Drugače je tok praznjenja omejen na 1A. Tudi za polnilnik/praznilnik je uporabljen 11 bitni PWM.
Slika 30: Začetni LCD zaslon »I OFF« Slika 31: Začetni LCD zaslon »T OFF« Slika 32: Začetni LCD zaslon tokovnega generatorja. Slika 33: LCD zaslon polnilnika
Če izberemo »CHARGE« iz glavnega menuja, startamo podprogram za polnilnik, ki od nas najprej zahteva izbor oziroma potrditev nastavitev polnjenja. Najprej moramo izbrati tip akumulatorja, ki ga polnimo. Izbiramo z vrtenjem enkoderja in potrdimo s kratkim pritiskom na tipko enkoderja. Na voljo imamo naslednje možnosti: 1 – NiCd/NiMh, 2 – LiPo, 3 – Pb in 4 – Timer. Naslednja izbira je število členov v akumulatorskem paketu. Število členov je odvisno od tipa akumulatorja. Nadaljnja izbira je polnilni tok, maksimalni čas polnjenja in zakasnitev delovanja »Delta peak« detekcije zaključka polnjenja. Na koncu izberemo še način delovanja. Možnosti so 1 – Polni, 2 – Prazni in 3 –Prazni/Polni. Ko izberemo oziroma potrdimo vse parametre, se prikaže osnovni zaslon polnilnika, ki ga prikazuje slika12.
Prva vrstica prikazuje dejansko napetost, druga vrstica polnilni tok, tretja vrstica čas polnjenja/praznjenja in četrta vrstica napolnjeno/izpraznjeno kapaciteto. Polnjenje poženemo / izklopimo s pritiskom na tipko enkoderja. Ko je polnjenje ustavljeno, se z dolgim pritiskom na tipko enkoderja ponovno vrnemo v glavni meni. Če smo izbrali način 3 – prazni/polni izpraznjeno kapaciteto in čas vidimo v četrti vrstici. Oglejmo si, kako program polni posamezne tipe akumulatorjev. O načinu polnjenja posameznih tipov akumulatorjev je veliko napisanega na svetovnem spletu, zato se v posamezne detajle polnjenja ne bom podrobneje spuščal.
NiCd/NiMh je program za HITRO polnjenje akumulatorjev. Akumulatorje polnimo s konstantnim tokom. Zaključek polnjenja detektiramo s tako imenovano »Delta peak« metodo. V programu je »Delta peak« nastavljen na 15 mV/člen, kar je nekakšen kompromis, da lahko isti program uporabljamo za oba tipa akumulatorjev. Omeniti velja, da program omogoča hitro polnjenje akumulatorjev, sestavljenih iz 3 – 12 členov. Spodnjo mejo omejuje vgrajen A/D pretvornik, ki je 10 biten, kar pomeni korak 20 mV. »Delta peak« na treh členih (celicah) znaša 45 mV, kar je ravno še dovolj natančno za uporabljen A/D pretvornik. Zgornjo mejo omejuje najvišja napetost napajalnika, ki je v našem primeru 20,46 V. V program je vgrajen tudi časovnik, ki začne spremljati napetost akumulatorja po določenem času (1-15 minut). Ta časovnik je vgrajen zaradi lastnosti NiCd/NiMh akumulatorjev, ki so že dalj časa v uporabi in na začetku polnjenja naredijo lažen »Delta peak«. Pri uporabi te funkcije moramo biti previdni, ker polnim akumulatorjem ne prija hitro polnjenje 15 minut brez kontrole zaključka polnjenja. Akumulatorji se prekomerno segrejejo in lahko pride celo do eksplozije ali njihove trajne poškodbe. Za zaščito je vgrajen tudi časovnik maksimalnega časa polnjenja. To je zaščita v primeru, če »Delta peak« detekcija zaključka polnjenja ni uspešna. Program prekine s polnjenjem po preteku maksimalnega časa polnjenja. Napetost izklopa praznilnika je nastavljena na 0,9 V/celico.
LiPo je program, ki omogoča hitro polnjenje LiPo akumulatorjev. Akumulatorje polnimo po metodi KT/KN (Konstanten tok/Konstantna napetost). Polnilna metoda KT/KN pomeni, da akumulator najprej polnimo s konstantnim tokom, dokler napetost na akumulatorju ne doseže 4,20 V/člen. Potem preklopimo na polnjenje s konstantno napetostjo in spremljamo tok polnjenja. Polnjenje zaključimo, ko polnilni tok pade na 8% nazivnega polnilnega toka. Polniti je možno akumulatorje, sestavljene iz 1 – 4 členov. Navzgor smo ponovno omejeni z najvišjo napetostjo napajalnika. Pri polnjenju akumulatorjev z več členi je priporočljivo uporabljati »balancer« – napravo, ki kontrolira napetost posameznega člena v akumulatorju in poskrbi za to, da se napetost posameznih členov akumulatorja med polnjenjem ne razlikuje več kot nekaj 10 mV. Nastavitev zakasnitve »Delta peak« v tem programu nima nobenega učinka. Napetost izklopa praznilnika je nastavljena na 3,2 V/celico.
Pb je program, ki omogoča hitro polnjenje Pb akumulatorjev. Akumulatorje polnimo po metodi KT/KN (Konstanten tok/Konstantna napetost). Polnilna metoda KT/KN pomeni, da akumulator polnimo s konstantnim tokom, dokler napetost na akumulatorju ne doseže 2,50 V/člen. Potem preklopimo na polnjenje s konstantno napetostjo in spremljamo tok polnjenja. Polnjenje zaključimo, ko polnilni tok pade na 4% nazivnega polnilnega toka. Polniti je možno akumulatorje sestavljene iz 1 – 8 členov. Navzgor smo zopet omejeni z najvišjo napetostjo napajalnika. Nastavitev zakasnitve »Delta peak« v tem programu nima nobenega učinka. Napetost izklopa praznilnika je nastavljena na 1,9 V/celico.
Timer je program, ki je namenjen počasnem polnjenju akumulatorjev s konstantnim tokom. Te funkcije nisem zasledil pri nobenem komercialnem polnilniku. Namenjen je predvsem počasnem polnjenju NiCd/NiMh akumulatorjev, čeprav lahko z njim polnimo katerikoli tip akumulatorja. Pri polnjenju ni NOBENE napetostne zaščite in zato lahko LiPo akumulatorje trajno poškodujete, če jih polnite s konstantnim tokom in pri tem presežete 4,25 V/člen. Čas polnjenja lahko nastavljamo od 15 minut pa do 23 ur in 45 minut v korakih po 15 minut. Program je primeren za večino NiCd/NiMh akumulatorjev velikosti AA oziroma AAA, za katere hitro polnjenje ni ustrezno. Program je primeren tudi za izenačevanje paketa akumulatorjev po hitrem polnjenju. V nobenem akumulatorskem paketu členi niso povsem enaki in se pri uporabi oziroma praznjenju / polnjenju z večjimi tokovi razlike počasi povečujejo. S počasnim polnjenjem vsake 10 – 15 ciklov te razlike odpravimo in poskrbimo, da so naši akumulatorji v odlični kondiciji. Pri tem načinu praznjenje pred polnjenjem ni mogoče.
Zaključek
PWM napajalnik je eden tistih uspešnih izdelkov, ki se nahaja na marsikateri delovni mizi v Sloveniji in tujini. Po več letih uporabe vam lahko povem, da PWM napajalnik zagotavlja tistih 99% potreb, ki jih kot elektronik imam pri svojem delu. Redko se zgodi, da potrebujem napajalnik z več kot 2A izhodnega toka. Se pa velikokrat zgodi, da potrebujem tokovni generator (kadar preizkušam razne LED-ice), ali pa polnim baterije in seveda največkrat PWM napajalnik uporabljam kot napajalnik s pretokovno zaščito. Zdaj, ko je na voljo PWM III, ga bom še rajši imel na svoji delovni mizi. Upam, da bo odlično služil tudi vam!
Prodaja izdelka PWM III – Virtualna trgovina
PWM III
AX elektronika d.o.o.
Avtor: Jurij Mikeln
2016_SE243_54
Related Posts
Optično stikalo, senzor za spremljanje Barduino (26): Bascom-AVR programi za module iz kompleta 37-v-1 (10)
KY-015, senzor temperature in vlažnosti: Bascom-AVR programi za module iz kompleta 37-v-1 (8)
Infrardeči oddajnik in sprejemnik: KY-005 in KY-022 - 37 zanimivih Arduino modulov (7)
