Источник питания для РКС

Для работы Регистратора Каротажных Сигналов (РКС) нужен источник питания. Изюминка в том, что источник питания должен изменять выходное напряжение от 30 до 50 В. Управлять источником питания будет микроконтроллер Регистратора.

Несколько месяцев назад предполагалось, что у Регистратора будет покупной источник питания и компания даже приобрела их, хотя я настаивал на том, что нужно сделать свой источник. В общем, я смалодушничал и сдался. Я позволил компании закупить АКИП-1121. Я о них писал в предыдущих статьях.

Источники оказались тяжелыми, дорогими. Но самое печальное выяснилось позже, когда я начал писать программу для РКС. Внезапно, я осознал, что управлять этими источниками питания не так-то просто, как это казалось при первом ознакомлении с ними.

Точнее так: АКИП-ом управлять очень просто и легко, когда он один и ничего другого делать не нужно. Проблема возникает, когда источник входит в состав и без того сложного оборудования.

Чтобы изменить напряжение на его выходе нужно источнику питания передать 26-байтовый пакет. После передачи пакета нужно получить от источника питания ответ, тоже 26 байт. Если источника нет или вместо АКИП-1121 будет подключен другой блок питания, то ответ может и вовсе не прийти. И всё это отслеживать на фоне приема информации от каротажных приборов, обработки и последующей передачи ее в комп. Ну и еще другие менее значительные дела. В общем, как вы уже понимаете, проблема подключения выливается в необходимость разворачивания на микроконтроллере небольшой многозадачной операционной системы.

Конечно, задачу управления напряжением можно перенести с микроконтроллера РКС на компьютер. Иначе говоря, источником управлять будет не РКС, а комп. В общем-то так тоже можно, но всё это выглядит как-то коряво. Не правильно всё это.

С другой стороны я предлагал более изящное решение по управлению источником питания — не через последовательный порт, а непосредственное подключение к выходу ЦАП микроконтроллера РКС. Таким образом, вся задача по управлению напряжением сводится к записи в регистр ЦАП нужного значения. И всё! Никаких танцев с бубном и таинством соблюдения протокола обмена. Никаких параллельно работающих процессов в микроконтроллере. Никаких многозадачных ОСРВ. Вообще ничего не надо! Единственное, что потребуется — создать свой блок питания, а не покупать готовый.

Некоторое время назад справедливость восторжествовала. Теперь у меня нет необходимости в подчинении безумным идеям, я сам определяю что и как делать.

Я начал с макетирования и отработки идеи управления напряжением:

DSC00142

Электронных компонентов потребовалось не так уж и много:

DSC00141

В результате нескольких итераций появилась вот такая схема:

DSC00140

Ничего секретного, ничего нового, все решения традиционные. На вход нужно подать переменное напряжение (я предполагаю около 50 В) с сетевого трансформатора. Выход источника питания — сами видите где, справа.

А вот в левой части схемы есть две точки: DAC и IMAX. К первой из них подключается выход с ЦАП микроконтроллера, а вторая служит входом прерывания при превышении потребляемого тока.

Между цепью IMAX и ножкой микроконтроллера (на плате микроконтроллера) стоит дополнительный резистор 51 кОм. Он нужен для того, чтобы не сжечь микроконтроллер. Дело в том, что уровень входных сигналов у МК не должен быть выше его питания, то есть более +3.3В, а при срабатывании ограничителя тока в источнике в цепи IMAX буде присутствовать почти всё входное напряжение — 50-70 В. Понятно, что такой пытки МК не вынесет. Но если в цепь поставить резистор, то при превышении напряжения IMAX над напряжением питания МК, откроются защитные диоды, а ток в цепи буде ограничен 1-1.5 мА.

При срабатывании ограничителя тока, я предполагаю, что буду «занулять» выход ЦАП на некоторое время. То есть это будет программное отключение питания. Ну, я думаю, идея понятна.

Схема почти отработана. И я изготовил первый прототип источника на печатной плате.

DSC00135

Я использовал штыревые (не SMD) элементы. Возможно мне ещё не раз придется сжечь транзисторы или что-нибудь «довесить» на плату, поэтому на этом этапе SMD не очень рулят. А когда всё будет окончательно отработано, естественно, я всё переделаю под SMD.

DSC00139

Получилось вроде достаточно компактно:

DSC00138

И в целом вроде даже аккуратно:

DSC00136

Но вот с самой печатной платой меня мои девчонки оборжали:

— Ты что, папа! У тебя всегда были такие красивые прямы проводнички, а  тут ты наколбасил каких-то кривых дорог! Сказал бы, мы бы тебе развели плату красиво.

DSC00137

Обидеть художника может каждый.

А почему я нарисовал кривые дороги? — Да потому, что где-то в одном месте (уже не помню в каком именно) скруглил дорожку, потому что по другому никак ее не провести было. А потом посмотрел-посмотрел и решил все дороги сделать на один манер — скруглить.

Да фигня это всё! Главное что бы работало.

На принципиальной схеме указаны основные напряжения и токи. Схема, как я уже говорил, — рабочая. Подавая на вход нужное напряжение (это может быть как выход ЦАП, отфильтрованный выход ШИМ или вообще движок переменного резистора), можно управлять выходным напряжением.

Напряжение на эмиттерах дифференциальной пары не должно быть ниже 2-3 В. Поэтому, с минимальными переделками (изменение номиналов некоторых резисторов) схему можно использовать как источник напряжения от 4-5 В до 50 В.

Конденсатор 68 пФ, между базой и коллектором нужен для снятия возбуждения. Можно «воткнуть» любой конденсатор от 30 до 1000 пФ. У меня под руками был 68 пФ, я его и поставил.

Резистор (1.6 Ом) в токовой защите определяет ток короткого замыкания на уровне 400 мА. Изменяя его номинал можно варьировать ток ограничения.

В сравнении с АКИП-1121 этот источник кажется крайне не серьезным. Но контексте использования его в составе РКС и особенно учитывая его себестоимость (цены транзисторов указаны на принципиальной схеме), становится ясно, что он имеет очень неплохие перспективы.

Ну и как всегда — если что, задавайте вопросы.

UPDATE 26.07.2014-00:30

В первом варианте, который был собран на макетной плате, я использовал советские (да-да, именно советские — выпущенные в 80-х годах) транзисторы КТ502 и КТ503. На печатную плату я установил BC639 и BC640. У них, понятное дело, несколько другие характеристики. Ну и пришлось немного подшаманить с резисторами в обратной связи. В результате в схеме произошла замена трех резисторов.

1. Резистор между базой и эмиттером транзистора BC640 вместо 10 кОм, нужно установить 47 кОм. В результате уменьшится коллекторный ток первого транзистора (BC639), что улучшит линейность характеристики предусилителя.

2. Заменяем два резистора в обратной связи. Вместо 39 кОм и 11 кОм нужно установить 47 кОм и 10 кОм соответственно.  Это позволит получить выходное напряжение до +50 В при напряжении в цепи DAC равном +3.3 В. Чтобы получить выходное напряжение +30.0 В, на вход DAC нужно подать +2.18 В.

Вот таблица соответствия между напряжением на DAC и выходным напряжением:

1.06   10
1.34   15
1.62   20
1.87   25
2.18   30
2.43   35

Выше +30 В напряжение я не смог проверить, так как еще нет нужного сетевого трансформатора. Но если экстраполировать эту зависимость, для получения +50 В нужно на вход DAC подать +3.3 В.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s