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Costruire il proprio alimentatore DC digitale

Alimentatore digitale fai-da-te

Un affidabile ed efficace alimentatore è uno strumento base in ogni laboratorio elettronico. Vediamo come costruire il nostro alimentatore usando un microcontrollore riducendo costi e tempi di sviluppo.

 

Un alimentatore DC da laboratorio può essere molto costoso e non facile da realizzazione. Grazie allo sviluppo dell'elettronica

integrata però oggi possiamo programmare un microcontrollore perchè svolga (in modo dignitoso) operazioni un tempo demandate a complessi circuiti analogici dedicati. Vediamo allora come costruire un alimentatore DC digitale.

 

L'idea base è molto semplice: vogliamo "qualcosa" che generi un segnale in tensione e corrente costanti e regolabili secondo le nostre esigenze. Apriamo il cassetto dei nostri componenti elettronici ed in base alla nostra idea decidiamo cosa usare: per avere un segnale costante serve un componente che abbia una relazione ingresso-uscita quanto più stabile possibile, allora prendiamo un diodo zener, per poi regolare il segnale di ingresso a partire da un sengnale costante servirà un amplificatore. Il primo semplice circuitino è riportato nella immagine sotto

simplest possible building block

Questa prima soluzione presenta diversi inconvenienti tra cui i principali sono:

- se alimentiamo un corto circuito il transistore farà una brutta fine e con esso lo strumento

- non possiamo regolare la tensione di uscita

Il primo problema si risolve in modo semplice per il secondo invece la soluzione non è tanto banale. Infatti serve una logica che consenta di generare un segnale di uscita stabile con ampiezza diversa. Solitamente tale compito viene svolto da complessi circuiti con amplificatori operazioni progettati appositamente allo scopo. Noi faremo tutto semplicemente programmando un microcontrollore con il circuito riportato sotto.

detailed schematic idea

Uref è il riferimento stabile di tensione/corrente (il diodo zener), Control logic e ADC sono contenuti nel microcontrollore, per esempio un ATmega8 e la resistenza in uscita verso terra serve per evitare danni all'amplificatore nel caso di corto circuito in uscita. Non abbiamo ancora finito però. Dobbiamo realizzare un DAC ed ottenere in uscita da questo una potenza sufficiente per pilotare l'amplificatore. Inoltre in tale configurazione la tensione di uscita massima è limitata dalla tensione di alimentazione del microcontrollore (5V) meno la resistenza da 0.75 Ohm, dobbiamo quindi aggiungere un aplificatore per tensione e corrente.

Quindi mancano:

- DAC

- Amplificazione corrente in uscita DAC per pilotare transistor

 

DAC a scala R-2R

Abbiamo bisogno di un convertitore DA sufficentemente veloce per i nostri scopi ma non troppo complesso, usiamo quindi la rete a scala in figura sotto

r2rladder

Si tratta di una rete a scala R-2R a 3bit. La logica di controllo muove gli interruttori tra massa a Vcc. Un "uno" digitale si ottiene con il collegamento a Vcc ed uno "zero" digitale con il collegamento a massa. Tale circuito viene collegato all'uscita del microcontrollore che farà da logica di controllo. Per la generazione di un segnale in DC di ampiezza variabile usiamo la modulazione PWM (pulse width modulation) disponibile nell'ATmega8. L'idea base di tale modulazione è illustrata sotto

PWM low pass filtered

Un impulso ad una frequenza f viene filtrato (con un semplice condensatore per fare da filtro passa basso per esempio) per ottenere un segnal U un uscita costante. Possiamo allora combinare la rete R-2R con la PWM programmabile dell'ATmega8. Usiamo una rete R-2R a 7bit con una PWM a 5bit. Il segnale in ingresso al filtro passabasso (il condensatore in figura sopra) avrà una frequenza di 8MHz/32 = 250KHz, dove 32 deriva dal numero di combinazioni con i 5bit del PWM dell'ATmega8. Nota la frequenza di taglio il filtro si dimensione facilmente. Passiamo ora all'amplificazione.

 

Amplificatore per DAC

Lo schema del circuito di amplificazione è riportato in figura sotto con i dettagli dei componenti usati.

amplifiers

 

Per alimentare il tutto possiamo usare l'alimentatore di un vecchio portatile da 32/24V. Gli altri componenti necessari per completare l'opera sono riportati in figura sotto

ddcp circuit

Il software per controllare lo schermo LCD e gestire gli input provenienti da tasti di controllo è disponibilie per il download. Si può anche aggiungere un collegamento USB tramite un socket USB-B come quello in figura sottostante

[ddcp to usb]

gestibile sia software in linux con il software disponibile per il download. Come tocco finale si aggiunge una ventola od un dissipatore, ricavabile da un vecchio computer fisso, come quello in figura sottostante

aluminium cooler

e il risultato finale è illustrato sotto in cui i vari componenti sono racchiusi in quello che diventerà il nostro generatore DC.

new design inside

 

Un kit completo con tutti i componenti necessari per completare l'opera si può ordinare a questo inidirizzo web: http://shop.tuxgraphics.org/electronic/index-kits.html

 

La soluzione proposta è un progetto non troppo dettagliato ma un valido punto di partenza che vuole lasciare molta iniziativa a chi si impegna nello sviluppo di un alimentatore da laboratorio. In base alle soluzioni di dettaglio scelte cambia la qualità del risultato finale. Ricordiamo che ogni strumento da laboratorio deve essere corredato da una stima della qualità dei dati prodotti, per il nostro generatore sarà quindi utile indicare almeno massima e minima tensione generabili e la stabilità del segnale d'uscita. 

 

 

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ritratto di Anonimo

ecco l'immagine

ecco l'immagine dell'alimentatore (versione finale) con il display verde

ritratto di JEPPETTO

Interessante

Interessante

 

 

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