Une alimentation num�rique CC

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Hardware

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original in en Guido Socher

en to fr Jean-Etienne Poirrier

AboutTheAuthor:[A small biography about the author]

Guido adore Linux parce qu'il est un vraiment bon syst�me pour d�velopper votre propre mat�riel.

Abstract:[Here you write a little summary]

Une alimentation �lectrique en courant continu (CC) fiable est un p�riph�rique important pour une passion comme l'�lectronique. Une alimentation �lectrique stabilis�e �lectroniquement peut facilement co�ter plus de 150 Euros.
En utilisant un plan bas� sur un microcontr�leur intelligent, nous pouvons construire une alimentation �lectrique qui a plus de fonctionnalit�s et qui est beaucoup moins ch�re.

Les lecteurs, pour qui tout ceci serait nouveau, devraient d'abord lire Programmer le microcontr�leur AVR avec GCC, libc 1.0.4.

Ne vous inqui�tez pas si le circuit imprim� semble trop compliqu� pour votre laboratoire � la maison. Toutes les pi�ces et des PCB pr�-imprim�s seront, encore une fois, disponibles sur shop.tuxgraphics.org.

ArticleIllustration:[This is the title picture for your article]

[Illustration]

ArticleBody:[The article body]

Introduction

En 2002, j'ai �crit un article pour linuxfocus.org sur une alimentation �lectrique se basant sur un microcontr�leur (article251 du num�ro de novembre 2002). L'article a re�u beaucoup d'int�r�t, comme j'ai pu le remarquer des courriels que j'ai re�u � son sujet. Le plan de cette alimentation �lectrique �tait cependant difficile pour les fans, dont l'�lectronique reste une passion, d� � la complexit� du circuit.

Ainsi, voici maintenant un nouveau plan, moins complexe, mais qui poss�de plus de fonctionnalit�s.
  1. Seulement des composants pas chers et standards sont utilis�s
  2. Seulement une source de courant est n�cessaire (pas de tension n�gative pour des amplificateurs op�rationnels)
  3. L'affichage montre les valeurs pr�d�finies et actuelles de la tension et du courant en m�me temps.
  4. Vous pouvez compl�tement contr�ler l'alimentation �lectrique via votre ordinateur ou vous pouvez l'utiliser seule.
  5. Elle est tr�s petite et tr�s puissante.
Comment a-t-il �t� possible d'enlever des composants et d'ajouter plus de fonctionnalit�s ? Le truc est de d�placer les fonctionnalit�s qui �taient pr�c�demment bas�es sur des composants analogiques (comme les amplificateurs op�rationnels) dans le microcontr�leur. En d'autres termes, la complexit� du logiciel et des algorithmes est plus �lev�e mais la complexit� du mat�riel est r�duite. Cela r�duit la complexit� de l'ensemble pour vous puisque le logiciel peut �tre juste copi�. Le fait que l'Atmega8 puisse faire beaucoup plus que le microcontr�leur AT90S4433, maintenant d�pass�, a aid� �galement.

Dans cet article, vous apprendrez aussi de nouvelles choses sur l'Atmega8. Vous avez vu comment utiliser le convertisseur analogique-digital. Nous allons ajouter un convertisseur digital-analogique tr�s rapide qui pourra �tre utile pour beaucoup d'autres circuits.

Dans cet article, nous allons discuter du plan mat�riel et �lectrique. Il y aura ensuite deux articles suppl�mentaires o� j'expliquerai le logiciel. Nous allons aussi ajouter plus de fonctionnalit�s. Cependant, les ajouter ne n�cessitera que des changements logiciels.

L'id�e de base du plan �lectrique

Je pourrais bien s�r juste vous donner le diagramme du circuit et quelques instructions sur la mani�re de le construire. Cela fonctionnera probablement mais vous ne saurez pas comment cela fonctionne. La plupart des kit d'�lectronique de hobby sont comme ��.

L'id�e du magasin en ligne shop.tuxgraphics.org est cependant de fournir de la bonne documentation gratuite accompagnant les kits de d�veloppement. Dans la documentation (par exemple, cet article), nous expliquons r�ellement comment les choses fonctionnent et pourquoi elles ont �t� con�ues de cette mani�re. Je trouve beaucoup plus amusant de construire quelque chose que je comprends et j'esp�re que vous l'appr�ciez aussi.

Commen�ons par l'alimentation �lectrique stabilis�e �lectroniquement la plus simple possible. Elle consiste en 2 parties de base : un transistor et une r�f�rence de tension g�n�r�e avec une diode Z.
bloc de construction le plus simple possible

La tension de sortie de ce circuit est Uref - 0.7V. Les 0.7V sont approximativement la chute de tension que vous avez entre B et E sur le transistor. La diode Z et la r�sistance g�n�rent une tension de r�f�rence qui est stable, m�me si l'entr�e fluctue et est bruit�e. Le transistor est n�cessaire pour g�rer des courants plus �lev�s que la diode Z et la r�sistance seuls ne peuvent fournir. Dans cette configuration, le transistor amplifie juste le courant. Le courant que la r�sistance et la diode Z doivent fournir est le courant de sortie divis� par hfe (hfe est un nombre que vous pouvez trouver en regardant dans la feuille de sp�cifications du transistor).

Quels sont les probl�mes avec ce circuit ? Ce sont des limitations assez importantes qui rendent ce circuit inutilisable mais ce circuit est toujours le bloc de construction de base de toutes les alimentations �lectriques r�gul�es �lectroniquement.

Pour surmonter ces probl�mes, vous avez besoin d'une certaine � intelligence � qui va r�guler le courant sur la sortie et une tension de r�f�rence variable. C'est tout (... et cela rend le circuit beaucoup plus complexe).

Pendant les derni�res d�cennies, les gens ont utilis� des amplificateurs op�rationnels pour fournir cette intelligence. Les amplificateurs op�rationnels peuvent, au fond, �tre utilis�s comme des calculateurs analogiques pour additionner, soustraire, multiplier ou faire des � ou � logiques sur des tensions et des courants.

De nos jours, les microcontr�leurs sont si rapides que tout cela peut �tre r�alis� facilement par logiciel. La beaut� est que vous obtenez �galement un voltm�tre et un amp�rem�tre gratuitement, comme effet secondaire. La boucle de cont�le dans les microcontr�leur doit conna�tre les valeurs de tension et de courant, d'une fa�on ou d'une autre. Vous n'avez qu'� l'afficher. Ce dont vous avez besoin de la part du microcontr�leur, c'est : Le probl�me est que le convertisseur D-A a besoin d'�tre tr�s rapide. S'il y a un court-circuit d�tect� dans la sortie, alors il doit imm�diatement r�duire la tension � la base du transistor sinon il mourra. Rapide signifie en quelques millisecondes (aussi rapide qu'un amplificateur op�rationnel).

L'Atmega8 poss�de un convertisseur A-D qui est plus que rapide mais il n'a pas, � premi�re vue, de convertisseur D-A. Il est possible d'utiliser une modulation en largeur d'impulsion et un filtre passe-bas analogique pour obtenir un convertisseur D-A mais elle reste beaucoup trop lente pour impl�menter la protection contre les court-circuits dans le logiciel. Comment construire un convertisseur D-A rapide ?

L'�chelle R-2R

Il y a de nombreuses mani�res de construire un convertisseur digital-analogique mais nous en avons besoin d'un, rapide, pas cher et qui peut facilement s'interfacer avec notre microcontr�leur. Il existe un convertisseur D-A connu sour le nom � d'�chelle R-2R �. Il consiste en des r�sistances et des interrupteurs seulement. Il y a deux types de r�sistances. Une avec R et une avec deux fois la valeur de R.
r2rladder

La figure ci-dessus montre un convertisseur D-A R2R 3 bits. La logique de contr�le d�place les interrupteurs entre GND et Vcc. Un � 1 � num�rique connecte l'interrupteur � Vcc et un � z�ro � num�rique � GND. Que fait ce circuit ? Il fournit des tensions par pas de Vcc/8. En g�n�ral, la tension de sortie est Z * (Vcc/(Zmax+1)) o� Z est le nombre num�rique. Dans le cas du convertisseur A-D 3 bits, c'est 0-7.

La r�sistance interne du circuit est vue comme la sortie de R.

Au lieu d'utiliser des interrupteurs s�par�s, nous pouvons connecter l'�chelle R-2R aux lignes de sortie du microcontr�leur. Une broche de sortie de l'Atmega8 peut fournir environ 10mA mais, � ce courant, vous notez d�j� une chute de tension. Nous souhaiterions utiliser la gamme totale de sortie 0-5V de mani�re � ce que la charge sur la sortie soit moindre qu'1 mA. En d'autres termes, nous construisons une �chelle R-2R avec des r�sistances de 5K et 10K.

Le convertisseur A-D de l'Atmega8 a une r�solution de 10 bits. Pour utiliser compl�tement cette r�solution, nous avons �galement besoin de 10 bits pour le convertisseur D-A. En d'autres termes, nous avons besoin de trouver 10 broches de sortie qui ne sont pas utilis�es par rien d'autre. C'est un petit d�fi puisque nous souhaitons �galement avoir un clavier, un affichage LCD et une interface s�rielle I2C vers le PC mais l'Atmega8 est assez bon. Tout entre dedans.

Un plan plus d�taill�

Ainsi, voici un plan plus d�taill� du circuit ci-dessus.
idée schématique détaillée

Je ne veux pas vous d�courager mais c'est malheureusement toujours un circuit qui n'est pas utilisable. Cependant, il est tr�s int�ressant pour comprendre l'id�e qui se trouve derri�re le circuit final.
Mais qu'est-ce qui ne va pas avec ce circuit ? Il y a principalement deux choses : Pour r�soudre cela, nous devons ajouter des amplificateurs pour le courant et la tension.

Le circuit final

Lorsqu'on ajoute des amplificateurs, nous devons garder � l'esprit qu'ils doivent fonctionner avec des signaux larges. La plupart des plans d'amplificateurs (par exemple, pour l'audio) sont fait avec la supposition que les signaux seront petits compar�s � la tension fournie. Donc, oubliez tous les livres classiques sur la cr�ation de transistor amplificateurs.

Nous pourrions utiliser les amplificateurs op�rationnels mais ces derniers requi�rent qu'on fournisse des tensions positive et n�gatives suppl�mentaires, ce que nous cherchons � �viter.

L'amplificateur nous impose �galement la condition suppl�mentaire de partir d'une tension fournie de z�ro jusqu'� un �tat stable sans g�n�rer de pic de sortie. En d'autres termes, il ne doit y avoir aucune oscillation courte ou pic de sortie lorsque vous allumer l'alimentation �lectrique.

Que faire ? Eh bien, ce n'est pas une t�che facile du tout et elle requi�rt une petite exp�rience. Je vais parcourir avec vous le circuit final et effectuer les calculs n�cessaires.

Nous partons avec le transistor de puissance. Selon la feuille de sp�cifications, le BD245B a un hfe=20 � 3A de sortie. Il va ainsi tirer environ 15mA sur la Base. Pour amplifier le courant (r�duire le courant n�cessaire pour conduire le circuit), nous utilisons une configuration connue sous le nom de � Darlington transistor �. Pour cela, nous pla�ons un BD137 devant. Il a une valeur hfe de 50-100. Cela r�duira le courrant n�cessaire � moins de 3mA (150mA / 50). 3 mA, c'est g�rable avec des petits transistors de signal comme le BC547/BC557. Il existe aussi des transistors pour petite tension qui sont tr�s bons pour construire des amplificateurs de tension.

amplificateurs


Pour une sortie de 30V, nous devons au-moins amplifier les 5V du DAC d'un facteur de 6. Pour cela, nous combinons un transistor PNP et un NPN comme montr� ci-dessous. L'amplification de tension de ce circuit est : 
Vampl = (R10 + R11) / R11
L'alimentation devrait �tre disponible en 2 versions : maximum 30V de sortie et maximum 22V de sortie. Une combinaison de 1K et 5.6K donne un facteur de 6.6, ce qui est bon pour la version 30V. Pour la version 22V, nous utilisons 1K et 4.7K.

La r�sistance interne du circuit comme vu sur la base du BC547 est : 
Rin = hfe1 * S1 * R11 * R9 = 100 * 50 * 1K * 47K = 235 MOhm

- hfe est approximativement 100 � 200 pour un transistor BC547
- S est la pente de la courbe d'amplification d'un transistor et est
approximativement de 50 [unit = 1/Ohm]
C'est plus que suffisamment haut pour la connection � notre DAC qui a une r�sistance interne de 5K.

La r�sistance �quivalente de notre r�sistance de sortie est : 
Rout = (R10 + R11) / (S1 + S2 * R9 * R11) = approximativement 2 Ohm
C'est suffisamment bas pour conduire le BD137 suivant.

R9 lie la base de BC557 � l'�metteur, ce qui signifie � off � pour le transistor jusqu'� ce que le DAC et BC547 arrivent. R11 et R10 lient la base du BD137 initialement � la terre qui coupe la sortie de l'�tage Darlington.
En d'autres mots, chaque composant dans cet �tage d'amplification est �teint, initialement. Cela signifie que nous n'obtiendrons aucune oscillation, ni pics de sortie de ces transistors � la mise sous tension.

Maintenant que vous avez vu comment un tel circuit est con�u, nous devons ajouter quelques diodes de protection et des capacit�s pour stabiliser le circuit et ce sera fini.
circuit final
Le cicuit final est grand comme : [PNG] [PDF]
Les valeurs entre crochets droits sont pour la version de 30V.

Le diagramme du circuit et le fichier de conception de la platine (format pcb) sont aussi inclus dans le paquet tar.gz qui vous pourrez t�l�charger � la fin de cet article.

Le connecteur nomm� � Raw DC in � (= CONN6) poss�de 3 broches. La broche 1 est le � plus �, la 2 est le � moins � (= GND) et la broche 3 devrait �tre connect�e � la broche de la terre. En d'autres termes, la � terre � n'est ni directement connect�e � GND ni � � plus � non plus.

Les limites

D'exp�riences pr�c�dents, nous savons que la plupart des lecteurs souhaiteraient � modifier � un peu le circuit. Voici une liste des limitations du mat�riel et de la mani�re de les surmonter : 
78L05: la tension maximale d'entr� est de 30V, le ZD8.2 �tend cette limite �
    environ 38V. En utilisant une diode Z diff�rente, vous pouvez �tendre
    cela un peu. Cela n'ira pas au-del� de 45V.
    La tension maximale de sortie devrait �tre au moins 2V plus basse que
    la tension d'entr�e.

BD245B: 10A 80W, Les 80W sont cependant � une temp�rature de 25�C. En
    d'autres termes, ajoutez une marge de s�curit� et calculez avec 60W :
    (tension maximale de sortie * courant maximal < 60W

    Vous pouvez ajouter un second BD245B pour aller jusqu'� 120W. Pour
    s'assurer que le courant se distribue de mani�re �gale, ajoutez une
    r�sistance de 0.22 Ohms dans la ligne d'Emetteur de chaque BD245B.
    Le m�me circuit et la m�me carte peuvent �tre utilis�. Montez les
    transistors sur un refroidisseur en aluminium propre et connectez-les
    avec de courts fils � la carte.

Shunt de mesure du courant :
    Il y a une r�sistance de 0.5 ou 0.55 Ohm avec 6W. Cela est suffisant
    pour environ 3A de sortie (Iout^2 * 0.55 <= 6W). Utilisez une
    r�sistance plus puissante pour des courants plus �lev�s.

Les sources de courant

Vous pouvez soit utiliser un transformateur, un redresseur et de grands condensateurs ou vous pouvez essayer d'obtenir une alimentation �lectrique 32/24V d'ordinateur portable. Je me suis dirig� vers la seconde option. Ces � briques � d'alimentation �lectrique pour ordinateur portable sont parfois vendues tr�s bon march� (fin de stock) et quelques unes fournissent 70W � 24V ou m�me 32V DC.

La plupart des gens iront probablement vers la solution du transformateur parce qu'ils sont tr�s faciles � obtenir. 
version 22V 2.5A : vous avez besoin d'un transformateur 18V 2.5A, un
                   redresseur et un condensateur de 3000µF (raison :
                   18 * 1.4 = 2.5V, au moins 1000µF par amp�re)

version 30V 2A : vous avez besoin d'un transformateur 24V 2A, redresseur et
                 un condensateur de 2200µF (raison : 24 * 1.4 = 33.6V, au
                 moins 1000µF par amp�re)

Cela ne fait pas de tort d'acheter un transformateur qui peut fournir plus
d'amp�res.
V�rifiez que votre circuit poss�de une isolation correcte. Soyez s�r qu'il n'est pas possible de toucher aucune partie qui pourrait transporter 110V/230V, m�me quand la bo�te est ouverte. Connectez toutes les parties m�talliques du chassis � la terre (pas au GND du circuit).

Les tests

Quand vous avez soud� tout ensemble, ne connectez pas encore le microcontr�leur au secteur. Effectuez, d'arbord, quelques tests de base.

Test 1 : Connectez une alimentation �lectrique (au-moins 15V) � l'entr�e de courant du circuit et v�rifiez que vous obtenez 5V DC derri�re le r�gulateur de tension.

Test 2 : Mesurez la tension de sortie. Elle devrait �tre de 0V.

Test 3 : Connectez les broches 7 et 26 sur le microcontr�leur avec un fil (le microcontr�leur n'�tant pas raccord� au secteur). Vous devriez obtenir, en sortie, quelques volts de moins que ce qui est utilis� en entr�e DC. Enlevez le fil et la sortie devrait retourner � z�ro. Assurez-vous de ne pas provoquer de court-circuit sur la sortie.

Ins�rez le microcontr�leur et chargez le logiciel de test LCD en lan�ant les commandes suivantes dans le r�pertoire du paquet digitaldcpower.tar.gz d�compress� : 
make lcdtest
make lcdtestload
Vous devriez voir � ok works � sur l'affichage.

Maintenant, vous pouvez charger le logiciel final comme d�crit ci-dessus.

Le logiciel

Pour les curieux, j'ai inclus une description assez longue de chaque fichier .c dans le fichier README du paquet digitaldcpower.tar.gz. Le code contient �galement de nombreux commentaires. Sinon, j'ai l'intention d'�crire d'autres articles qui expliqueront juste la partie logiciel. Cet article est d�j� assez long et vous devez construire le mat�riel, tout d'abord.

J'ajouterai aussi graduellement plus de fonctionnalit�s avec les prochains articles : Maintenant, vous voulez savoir comment utiliser le logiciel et comment le charger.
D�compressez le paquet digitaldcpower.tar.gz et entrez (� cd �) dans le r�pertoire qui est cr��.
Editez le fichier hardware_settings.h et ajustez-le en fonction du mat�riel. Ici, vous pouvez aussi effectuer les calibrations du voltm�tre et de l'amp�rem�tre. Le fichier est bien comment�. 
gedit hardware_settings.h
Connectez le c�ble de programmation et allumez le circuit. Ensuite, ex�cutez : 
make wrfuse4mhz

Cela va positionner la fr�quence d'horloge du microcontr�leur � 4MHz. Le
logiciel est con�u pour cette fr�quence.

make 

Cela va compiler le logiciel.

make load

Cela va charger le logiciel

Quelques photos et id�es

Voici quelques photos de l'alimentation �lectrique que j'ai construite. Les photos sont parfois meilleures qu'une longue description, sp�cialement lorsqu'il s'agit de mat�riel et de parties m�caniques.



ddcp1
Vous pouvez construire un bo�tier simple mais ayant l'air professionnel � partir d'une feuille d'aluminium et deux planches en bois.


ddcp2
Pliez simplement l'aluminium deux fois. Cela est facile � faire, m�me sans �quipement professionnel.


pcbs
Les deux circuits imprim�s. Le plus petit est pour le clavier.


ddcp3
Marquez les positions des boutons poussoirs sur le bo�tier avant de souder les boutons sur la carte. Cela rend plus facile le per�age des trous � la bonne position


ddcp4
Le circuit. Tr�s petit, riches en fonctionnalit�s et puissant.


ddcp4
L'alimentation �lectrique finale.


Amusez-vous ! ... Et il y aura d'autant plus d'amusement que ce mat�riel pourra faire beaucoup plus ...

R�f�rences/T�l�chargement