Компактный маломощный блок распределения и индикации

Автор: SubDia
Опубликовано 31.05.2012
Создано при помощи КотоРед.

В своей радиолюбительской практике зачастую (я бы даже сказал постоянно) сталкиваюсь с ситуацией, когда одно и то же устройство, либо готовый модуль, требует подачи питающих напряжений различных величин. Учитывая специфику моего любимого занятия – микроконтроллеры и ПЛИС – требуемые значения колеблются в районе 1.8 – 3.3 – 5 В, то есть больших величин не достигают. Невозможность же оперативно получить требуемое нестандартное питание (к примеру, 2.5 В либо 1.8 В) изрядно тормозит творческий процесс и немало раздражает, заставляя выполнять дополнительную работу и устанавливать на макетную/отладочную плату дополнительные преобразователи. В итоге возникла мысль изваять небольшой компактный маломощный блок-распределитель, который даст возможность из одного стандартного напряжения относительно небольшой величины получать несколько меньших напряжений (пару стандартных + регулируемое), а также отображать их (напряжений) значения. Любая конструкция начинается с технического задания, посему для себя я набросал несколько требований (хотя изначально требование было одно – «чтоб был прост, как двери»):

●         Входное напряжение: 12 В;

●         Выходные напряжения: а) 3.3 В; б) 5 В; в) регулируемое, 1..4 В;

●         Максимальный суммарный выходной ток: 1 А;

●         Индикация: а) величина напряжения выхода 3.3 В; б) величина напряжения выхода 5 В; в) величина напряжения регулируемого выхода; г) величина тока, отдаваемого в нагрузку;

●         Точность измерений: а) напряжений - ± 10 мВ; б) тока - ± 10 мА;

●         Вес, не более: 0.5 кг (этот критерий продиктован моим рабочим графиком лягушки-путешественницы);      

            Стоимость всего устройства, естественно, в бюджет вписана не была, и должна была свестись к минимуму. В качестве основных элементов были выбраны обычные DC-DC преобразователи со стандартной обвязкой; «мозгом» устройства стал микроконтроллер STM32F100C4 (которых я от жадности когда-то нагреб по дешевке, а теперь не знаю куда ставить). Что же касается средства индикации.. я долго решал – семисегментный ЖК МТ10Т7 или черно-белый дисплей от мобильного телефона Nokia 8310. В итоге чаша весов склонилась в сторону «нокиевского» дисплея, ибо их, черно-белых, у меня тоже валяется без дела какое-то количество. Вскоре родилась схема, представленная на рисунке ниже.

Несколько слов о схеме. Тут действительно применимо выражение «просто, как двери». Мне и на самом деле было необходимо несложное устройство. Что касается измерения величины протекающего в нагрузку тока, я не стал использовать схему преобразования ток-напряжение и усиления на ОУ по причине того, что точности, которой я способен достичь в приведенном исполнении, вполне достаточно для моих нужд. Учитывая то, что контроллеры STM32 комплектуются 12-битным АЦП, то точность измерений при опорном напряжении, равном напряжению питания, будет равна 0,81 мВ. Определим ток, протекание которого через использованный резистор номиналом в 1 Ом вызовет падение напряжения, равное 0,81 мВ; эта величина будет пропорциональна величине самого напряжения, то есть 0,81 мА. Это с головой удовлетворяет предъявленным к устройству требованиям.

            Напряжение +5 В и напряжение регулируемого выхода подаются на входы каналов АЦП микроконтроллера через резистивные делители. Кнопка B1 осуществляет сброс микроконтроллера, кнопка B2 предназначена для управления подсветкой дисплея (думаю, в светлое время суток подсветка необходима не постоянно). Сама подсветка, кстати, выдрана из какого-то смартфона – в оригинале она противно-зеленая; я заменил ее приятной белой.

            Тумблер K1 служит для подачи общего питания в блок, а потенциометром мы регулируем величину напряжения выхода «Adjust. load». Регулятор напряжения я собрал на микросхеме LM317L в корпусе SO8, но в этом корпусе она способна выдать максимум 100 мА. Я это учитываю, и мне этого вполне достаточно. В данном исполнении диапазон регулировки напряжения – 1,25..3,6 В.

Выходные гнезда я использовал штыревые двухрядные – ими постоянно пользуюсь – тут, в общем-то, полет фантазии.

    Когда все хозяйство, собранное на макетке (правда, в первом приближении – на контроллере STM32L151), шуршало и выдавало все, что нужно туда, куда нужно, я стал задумываться о корпусе. Признаться, я терпеть не могу предлагаемые повсеместно пластиковые стандартные корпуса, поэтому решение стал искать собственное. Роясь во вместительном ящике своего рабочего стола, я случайно наткнулся на корпус от старого нерабочего HDD. Всю начинку из него я давным-давно выбросил, а алюминиевый бокс оставил до лучших времен. Решение было принято мгновенно, и ничтоже сумняшеся, я отрезал от этого корпуса ровно половину (тогда мне показалось, что этого более чем достаточно). Ножовкой вырезал недостающую крышку, подпилил напильником; спустя пару часов слесарных работ, у меня получилась вот такая железяка:

Подробный и скрупулезный просчет внутреннего пространства корпуса, произведенный мною дома вечером, показал, что глазомер меня все же подвел: на основную плату контроля (кроме платы, на которой будут установлены штыревые гнезда) мне осталось всего 32x53 мм и около 8 мм по высоте. Зато, учитывая металл корпуса, стало возможным вынести преобразователи на его (корпуса) поверхность. Разводка платки заняла половину следующего рабочего дня (только тсс..). После проведения всех необходимых процедур, включая печать фотошаблона, подготовку текстолита, засветку фоторезиста и травление, получилась симпатичная маленькая плата с довольно высокой плотностью монтажа.

            После распайки платка стала еще симпатичнее:

Признаюсь сразу – установка всех элементов в корпус, подгонка их относительно друг друга, увязывание жгутов и прочее отняли у меня еще более двух суток. Особенно если учесть, что идея включать и выключать подсветку дисплея, несмотря на свою логичность, возникла у меня едва ли не в самом конце – а потому реализация оной идеи отняла еще какое-то время.

Однако все эти занятия, несмотря на необходимость наличия усидчивости и сосредоточенный кропотливый труд, лично мне приносят моральное удовлетворение. Ибо результат этого труда не может не радовать.

Провода справа в нижнем углу, уходящие за пределы кадра, идут к программатору: разъем для внутрисхемного программирования я не ставил, предусмотрев лишь маленькие площадки для линий SWDIO и SWCLK.

Все три DC-DC преобразователя, работающие на внешнюю нагрузку, как видно, установлены прямо на корпус. Изначально мне не очень хотелось заземлять корпус, но блуждавшие по поверхности корпуса фантомы, время от времени вызывавшие самопроизвольные прерывания контроллера, убедили меня в необходимости принятия этой меры. И корпус я соединил с общим проводом.

Пробный запуск, прогон в течение четырех часов под переменной нагрузкой и на холостом ходу, и вывод: работает!

Что касается программы для микроконтроллера, то там совершенно ничего сложного нет.

После включения, инициализации и настройки периферии в течение одной секунды МК опрашивает все каналы по десять раз с равными промежутками времени, заполняя массив для каждого канала. Это сделано для усреднения результатов измерений – дабы уменьшить влияние «плавающих» двух младших разрядов АЦП, заявленных в документации SGS Thomson Microelectronics на STM32F100. После проведения этого цикла измерений каждый вычисленный результат выводится в собственном поле значений. Кнопка включения/выключения подсветки (на фотографии - синяя) вызывает прерывание контроллера по падающему фронту.

       А вот и две половинки, бывшие не так давно одним целым.

 Если бы в будущем я собирался реализовать вторую версию устройства, то первым делом я ввел бы в схему еще одну сборку на полевом транзисторе, с помощью которой можно было бы реализовать программное (при этом автоматическое) выключение по превышению порога по потребляемому току. Но, как говорится, совершенству нет предела, и любое, даже самое простое, устройство можно «вылизывать» до бесконечности – когда-то нужно и остановиться, тем более что своей скромной цели я добился на все сто.

Файлы:
Схема в формате pdf
Прошивка для микроконтроллера

Все вопросы в Форум.