Blikanie cez cykly

Tento spôsob je veľmi jednoduchý. Rozsvietim LED diódu, potom nejaký čas dám mikroprocesoru počítať nezmysly a následne zhasnem LED diódu. Zase ho nechám nejaký čas počítať nezmysly a potom rozsvietim LED diódu. A takto dookola.

Pod nezmyslami si treba predstaviť napríklad napočítať do milióna. Alebo viacej. Alebo menej. Metódou pokus-omyl sa dá najjednoduchšie určiť, koľko treba napočítať, aby bolo blikanie podľa Vašich predstáv. Pôvodne som chcel kresliť aj vývojový diagram, ale prvý obrázok podľa mňa dostatočne vysvetľuje celý princíp programu.

#include <avr/io.h>
#include <avr/iom8.h>

int main(void) /* Hlavná funkcia */
{
 DDRC |= 0x02; /* Nastavi pin C1 ako vystupny */
 PORTC &= ~0x02; /* Vynuluje pin C1 */
 int hranica1 = 0; /* hranica1 krat hranica 2 */
 int hranica2 = 0; /* urcuje kolko sa ma napocitat */

while(1) /* Nekonečný cyklus */
 {
  PORTC ^= 0x02; /* Zmeni stav LED diody */

  while(hranica1 < 5000) /* samotne pocitanie */
   {
    while(hranica2 < 5000) /* samotne pocitanie */
    {
     hranica2++; /* zvysenie hodnoty o 1 */
    }
    hranica1++; /* zvysenie hodnoty o 1 */
   }
    hranica1 = 0; /* vynulovanie po napocitani */
    hranica2 = 0; /* vynulovanie po napocitani */
 }

}

Na programe sú najdôležitejšie dve premenné: hranica1 určuje, koľkokrát sa má napočítať do hranica2. Ja som dal obe 1000, takže sa má 1000x napočítať do 1000 = 1 000 000 počítaní. Pri tejto konfigurácii mi merací prístroj ukázal, že LED dióda bliká 10.85 krát za sekundu. Preto som začal robiť pokusy s hranicami a v tabuľke vidíte výsledok:

hranica1	1	5	10	50	100	500	1000	5000	10000
hranica2	1	5	10	50	100	500	1000	5000	10000
Napočítanie	1	25	100	2500	10000	250000	1000000	25000000	100000000
Blikanie [Hz]	6944.2	2049.2	1089.3	229.42	115.49	21.70	10.85	2.17	1.08

Tieto namerané výsledky som dal do grafu. Všimnite si tenšiu modrú čiaru, trendovú. Je tam pridaná rovnica, na základe ktorej sa dá približne vypočítať, ako rýchlo bude blikať LED dióda. Kliknite na obrázok, zobrazí sa v novom okne a vo väčšom rozlíšení.

Toto riešenie blikania má jednu podstatnú nevýhodu. Mikroprocesor je stále vyťažený. Ak by bolo potrebné, aby robil aj niečo iné, je nutné ubrať z množstva počítania a pridať ďalší kód. A ak sa tento kód nebude vykonávať vždy rovnaký čas, ovplyvní to pravidelnosť blikania.

Blikanie s časovačom TIMER0

Časovač je časť mikroprocesora, ktorá vždy po ubehnutí nastaveného času vyvolá prerušenie. Na obsluhu časovača sú potrebné tri registre.

• TIMSK povoľuje prerušenia od časovača
• TCCRO nastavuje zdroj impulzov pre časovač
• TCNT0 obsahuje aktuálnu hodnotu časovača

V praxi to funguje takto: Mikroprocesor v registri TCNT0 neustále počíta od 0 do 255. Keď dosiahne 255, ďalším krokom nastáva prerušenie a v mojom prípade je obslúžená LED dióda. Čiže čas medzi napočítaním od 0 do 255 určuje ako často bude obslúžená LED dióda. Ak  chcem tento čas skrátiť, môžem v každom prerušení  určiť hodnotu TCNT0. Mikroprocesor už nebude počítať od 0, ale napr. od 99, čo tento čas skráti. Ak ho chcem predĺžiť, nastavím cez register TCCR0 prescaler. Impulzy nepôjdu priamo do časovača, ale budú delené 8, 64, 256 alebo 1024. To spomalí napočítanie do 255. Pozrite si vývojový diagram:

Pozrite si hotový program. Všimnite si, že tam nastavujem hodnotu TCNT0 v každom prerušení.

#include <avr/io.h>
#include <avr/iom8.h>
#include <avr/interrupt.h>

/* Funkcia volana pri preruseni */
ISR(TIMER0_OVF_vect)
{
 /* Zmena stavu LED */
 PORTC ^= 0x02;
 /* Znovunastavenie TCNT0 */
 TCNT0 = 0x00;
}

/* Hlavná funkcia */
int main(void)
{
 /* Nastavenie pinu C1 ako výstupného */
 DDRC |= 0x02;
 PORTC &= ~0x02;
 /* Nastavenie casovaca */
 TCCR0 |= 0x01;
 TCCR0 &= ~0x02;
 TCCR0 |= 0x04;
 TCNT0 = 0x00;
 /* Povolenie preruseni */
 TIMSK |= 0x01;
 sei();

while(1) /* Nekonečný cyklus */
 {
 }
}

Tieto nastavenie časovača spôsobia, že LED dióda bliká frekvenciou 1.9Hz. Oproti teoretickému výpočtu mi vyšla odchýlka približne 0.4%.

Teoretický výpočet podrobne

• Časovač ide na frekvencii 1MHz
• Jeden krok časovača teda trvá 1μs
• Prescaler je cez TCCR0 nastavený na 1024
• Ten zvyšuje jeden krok na 1024 * 1μs = 1.024ms
• Časovač ráta 0 až 255, plus jeden krok navyše
• 256 krokov krát 1.024 ms = 262.144ms
• Prerušenie je vyvolané každých 262.144ms
• Frekvencia prerušení je teda 1 / 0.262144 = 3.8147Hz
• Bliknutie LED diódy vyvolajú dve prerušenia
• 3.8147 / 2 = 1.90735Hz je teoretický výpočet
• Namerané bolo 1.9Hz
• 1.90735 / 1.9 = 1.004
• Rozdiel je teda 0.4%

Toto je najpomalšie blikanie, aké som z 8bit časovača dostal. Ak by som potreboval blikanie LED diódy ešte spomaliť, mám rôzne možnosti. Použiť 16bit časovač, synchronizovať časovač podľa nejakého externého signálu alebo prepínať stav LED diódy s každým druhým, tretím, … prerušením.

Záverom…

Článok bol dôležitý najmä kvôli základom časovača. ATmega8 obsahuje dva 8bit časovače, alebo jeden 16bit časovač. Niekedy v budúcnosti ich použijem napríklad na generovanie softvérového PWM. Nabudúce vyskúšam 16bit časovač.

Schému som odkreslil z datasheetu k integrovanému obvodu TDA2030A. Doplnil som napájaciu časť (usmerňovač a filtrácia) a ochranu proti prepätiu na výstupe.

Niekoľko slov okolo napájania…

Napájacia časť je tvorená usmerňovačom B1 a filtračnými kondenátormi C1 až C4. Zvyšné súčiastky sú dôležité správnu funkciu zosilňovača.  V schéme nie sú zakreslené poistky v napájacej časti. Pre správne istenie vložte poistky medzi svorky AC1, AC2 a transformátor poistky podľa výkonu transformátora.

Výkon zosilňovača závisí od napájacieho napätia!

Podľa datasheetu dosahuje zosilňovač výkon 34W/8Ω pri napájaní ±16V jednosmerných, čo je 2x12V striedavých. V datasheete k TDA2030A si pozrite stranu č. 4. a na nej tabuľku č. 3.  Síce nie je pre mostíkové zapojenie, ale dá sa tam pozrieť vzťah medzi výstupným výkonom a napájacím napätím.

Doska plošných spojov a niečo na záver

Integrované obvody IC1 a IC2 (TDA2030A) musia byť dobre chladené. Preto som ich umiestnil na kraj dosky – aby sa dali ľahko pripevniť k chladiču. Keď budete vypekať, budú produkovať dosť tepla.

Pri nich nájdete aj piny OUT1 a OUT2, ktoré slúžia na pripojenie reproduktora. Pripojiť môžete len 8Ω reproduktor.

Vstupný signál do zosilňovača pripojte na svorky IN (signál) a GND_IN (zem, tienenie).

Napájanie priveďte na svorky AC1, AC2 a AC3. AC3 je svorka pre pripojenie stredu sekundárneho vinutia, pretože zosilňovač potrebuje symetrické napájanie. Maximálne vstupné napätie môže byť 2x14V striedavých. Pre pomocné obvody (oneskorené pripojenie reproduktora a pod.) som na DPS nechal svorky VCC a GND.

Modré plôšky slúžia na pripevnenie dosky skutkami o podklad (Tak, aby doska nedržala na IC1 a IC2, lebo by to mohlo ulomiť nožičky týchto integrovaných obvodov).

Dosku plošných spojov spolu so schémou pre program Eagle nájdete v jednom archíve zip.

Lukáš

Pomocné obvody (indikácia prúdu a polarita pripojenej batérie) som prebral z nabíjačky 6V akumulátorov. Samotné nabíjanie som už upravil a doplnil o ochranu batérie pred vybitím. Pozrite si najprv schému a potom popis pod ňou.

1. Napájací zdroj

Striedavé napätie je cez poistku F2 privedené na usmerňovač B2. Vstupné napätie musí byť  medzi 12V až 21V striedavých, čo je 17 až 30V jednosmerných. Ak použijete 12V striedavých (17 jednosmerných), musíte mať dostatočne silný zdroj, aby pri zaťažení nekleslo jednosmerné napätie pod 15V. Nižšie napätie by mohlo znižovať nabíjací prúd. Zdroj vyrába tieto dve napätia :

• Pomocou IC1, R1 a R2 napätie 14.3V, ktoré nabíja baterku
• Pomocou IC3 napätie 12V, ktoré napája pomocné obvody

2. Nabíjanie batérie – správny prúd a napätie

Pre správne nabíjanie batérie je nutné dodržať vhodné napätie a prúd. 12V olovené akumulátory sa môžu nabíjať napätím maximálne 14.4V. Vyššie napätie už spôsobuje tvorbu plynov, čo môže narobiť veľké škody. Pre udržanie správneho výstupného napätia je použitý regulátor LM317, ktorý má cez rezistory R1 a R2 nastavené výstupné napätie na 14.3V.

Nabíjanie oloveného akumulátora sa realizuje tzv. 10 hodinovým prúdom. Čiže prúdom : 7.2Ah (kapacita batérie) / 10h = 0.72A. Nastavenie prúdu je realizované cez súčiastky R3, R4, R5 a Q1 a funguje celkom jednoducho. Prúd z akumulátora sa vracia cez rezistor R3, na ktorom vzniká úbytok napätia. Ak začne prúd stúpať nad 0.7A, vzniká na rezistore napätie 0.7V. Toto napätie začne otvárať tranzistor Q1 a ten začne skratovať rezistor R2. Tým sa zníži výstupné napätie z LM317 a teda napätie na batérii. Nižšie napätie znamená nižší nabíjací prúd. R4 je trimer, ak by bolo treba nabíjací prúd doladiť.

Ak by nastal extrém a niečo sa stalo, je tu posledná záchrana v podobe poistky F1, Ak by nastal nadprúd na dlhšiu dobu, dôjde k jej vypáleniu a prerušeniu nabíjania.

3. Ochrana proti vybitiu akumulátora pri výpadku sieťového napájania

Ak by vypadla sieť, nastal by spätný tok energie z akumulátora do zdroja. Síce to nie je veľká spotreba, ale predsa. Nabájačka ma nabíjať, nie vybíjať. Preto je použité relé K2, ktoré pripojí akumulátor k nabíjačke, len ak je zapnutá.

Poznámka : Po vypnutí zdroja zo siete zostávalo relé K2 naďalej zapnuté. Zistil som, že prúd z batérie spätne prechádza cez LM317, napája stabilizátor 7812 a ten ďalej drží relé K2 zopnuté. Preto som pred LM317 dal diódu D4 a problém zmizol.

4. Ochrana proti prepólovaniu pri pripájaní akumulátora

Upozornenie – táto ochrana funguje len do prvého správneho pripojenia akumulátora. Pre opätovnú aktiváciu je nutné nabíjačku vypnúť, nechať chvíľu vypnutú a zapnúť. Celá ochrana by sa síce dala poriešiť jednou diódou, ale to sa mi nepáčilo.

Tak som okopíroval zapojenie zo 6V nabíjačky. Po zapnutí nabíjačky je relé K1 rozopnuté. Akonáhle pripojím akumulátor v opačnej polarite, prúd prechádza cez diódu D3, optočlen OK1 a rezistor R16. Optočlen zopne cez rezistory R17 a R18 tranzistor Q3. Ten začne napájať LED diódu LED5 (ktorá sa rozsvieti) a repráčik SG1 (ktorý začne vrieskať). Relé K1 je naďalej vypnuté.

Ak však pripojím batériu správne, jej napätie prejde cez diódu D1 a rezistor R15 napájať tranzistor Q2. Ten zopne relé K1 a nabíjanie začne.

5. Indikácia nabíjacieho prúdu

Posledná prkotina na nabíjačke je indikácia nabíjacieho prúdu. Maximálny nabíjací prúd je okolo 700mA, preto som si zvolil 4 stupne : >400mA, >200mA, >100mA a >50mA. Komparátor IC2 sníma napätie z rezistora R3 (To je závislé od nabíjacieho prúdu). Podľa jeho výšky spína LED diódy LED1 až LED4, ktoré indikujú nabíjací prúd. Referenčné napätia sú vytvorené rezistormi R6 až R10.

6. Chladenie a príprava na ventilátor

Najviac tepla v nabíjačke budú vyvíjať IC1 a IC3. Tie musia mať dostatočne veľké chladiče. Aby som trochu prevetral nabíjačku, pripravil som jednoduchý obvod pre riadenia ventilátora. Ak je nabíjací prúd väčší ako 200mA, je zopnutý pin č. 14 komparátora. Ten súčasne otvorí cez rezistory R20 a R21 tranzistor Q4. Cez rezistor R22 sa otvorí tranzistor Q5 a ventilátor ide na plný výkon. Ak dôjde k poklesu nabíjacieho prúdu pod 200mA, zmenší sa aj množstvo vyvíjaného tepla. Vtedy už dôjde k vypnutiu tranzistorov Q4 a Q5. Ventilátor pôjde cez rezistor R23 na nižší výkon.

Doska plošných spojov a súbory pre program Eagle

 Ako vždy Vám prinášam schému a plošák v jednom ZIP archíve. Stačí otvoriť v programe Eagle a môžete s tým ďalej pracovať.

Nabíjačku som spravil, dal do jednej krabičky spolu s trafom.  Popri testoch som zistil, že ten ventilátor nie je potrebný. Pokiaľ dáte na IC1 a IC2 dostatočne veľký chladič a trafo nebude poddimenzované nabíjačka sa bude zohrievať len mierne. Samozrejme musí byť krabička vetraná. Trafo a chladič som umiestnil tak, aby pod aj nad ním boli vetracie otvory.

Prvý usmerňovač – napájanie nabíjačky pre olovené akumulátory

Pre nabíjačku bude použitý transformátor 220/24V, 5.1A, 125VA. Potreboval som preto diódy alebo mostík, ktorý by prúd 5.1A zniesol. Výstupné napätie 24 striedavých (36V usmernených) je malé, to pre diódy alebo mostíky nie je problém.

Z jedného výkonnejšieho impulzného zdroja sa mi podarilo získať mostík D5SBA60 (datasheet). S parametrami 600V / 6A plne vyhovoval mojím požiadavkám. Z ďalšieho zdroja som vytiahol filtračný kondenzátor 6800uF/50V. Len malé odrušovacie kondenzátory som dal nové.

Pre ochranu transformátora som použil poistku 5A. Tá chráni transformátor pred skratom a preťažením na výstupe.

Nezabúdajte, že najvyššie vstupné striedavé napätie je dané použitými súčiastkami, najmä kondenzátormi. Striedavé vstupné napätie môže byť rovné maximálne 0.65 násobku jednosmerného napätia, na ktoré je kondenzátor stavaný. To isté platí pre odrušovacie kondenzátory. Usmerňovací mostík má v katalógovom liste písané napätie 600V. Tu treba rátať, že striedavé napätie môže byť rovné maximálne 1/2 tohoto napätia.

Doska plošných spojov pre D5SBA60 

Pri plnom výkone sa na usmerňovacom mostíku stráca nasledujúci výkon 1.8 (úbytok napätia na dvoch diódach) * 5.1 (prúd tečúci mostíkom) = 9W. Preto ho treba pripevniť na chladič.

Vzhľadom na minimum súčiastok je doska plošných spojov veľmi jednoduchá. Do rohov som umiestnil plochy pre diery a skrutky.

Veľké modré plochy naľavo a napravo od usmerňovača slúžia pre pripevnenie chladiča. Výslednú dosku plošných spojov si môžete pozrieť nižšie. Jej rozmer je 61mm x 57mm.

Ak si budete chcieť tento napájací zdroj vyrobiť, nerobte to z tohoto obrázka. Stiahnite si originálne súbory : schému a DPS v jednom archíve pre program Eagle. Budete to mať omnoho presnejšie, ako z obrázka.

Druhý usmerňovač – pre rôzne pokusy

Tentoraz som sa snažil navrhnúť usmerňovač, ktorý by som využil na všetko možné. Pripojil by som len transformátor a testoval.

Tentoraz sa mi podarilo vyhrabať usmerňovací mostík D3SBA60 (datasheet). Oproti predchádzajúcemu je menší a jeho prúdová zaťažiteľnosť je maximálne 4A. Preto som použil poistku F2 – 4A.

Mostík znesie maximálne napätie 600V, preto môže byť striedavé vstupné napätie maximálne 300V, čiže 2 x 150V.

Aby som nebol obmedzený kondenzátormi, použil som elektrolytické kondenzátory 270uF / 250V. Pri usmernení 300V striedavých vznikne 420V jednosmerných. Kondenzátory sú v sérii a to napätie sa na nich rozdelí. Na jednom kondenzátore bude 420 / 2 = 210V. Mám ešte rezervu 40V, takže je to o.k.

Odrušovacie kondenzátory som povyťahoval na napätie 1000V, takže tam problém tiež nie je.

Všimnite si v schéme, že AC1 (striedavé) vedie do kladnej svorky mostíka.  A pre zmenu AC1 (svorka pre striedavé napätie) napája kladnú vetvu zdroja. Je to kvôli tomu, že Eagle nemal v svojich knižniciach mostík D3SBA60. Našiel som však mostík s rovnakým puzdrom, ale ináč zapojenými vývodmi. Preto som to v schéme prehodil, aby to v doske plošných spojov sedelo.

Doska plošných spojov pre 1 x D3SBA60

Znova veľmi jednoduchá DPS, pribudli len 3 kondenzátory. V rohoch sú znova plochy pre uchytenie. Pri usmerňovači sú plôšky pre uchytenie chladiča. Netreba na to zabúdať, pretože pri plnom vyťažení sa na ňom stráca skoro 8W tepla.

V súvislosti s týmto napájacím zdrojom však vidím dva možné problémy. Pomedzi mostík je vedená zem. Ak by som to napájal na doraz, medzi dvoma plôškami by bola vzdialenosť len 2mm. Neviem, či je to dosť pre napätie 150V, alebo nie. Pre budúcnosť by to chcelo zmeniť trasovanie ciest, tak aby tam bola bezpečnejšia vzdialenosť.

Tentoraz už pracujem so symetrickým napájaním. Neskoro som si uvedomil, že treba dať poistku aj na zápornú časť. Riešenie je jednoduché, dať poistku niekde medzi transformátorom a doskou plošných spojov.

Ak si budete chcieť tento napájací zdroj vyrobiť, nerobte to z tohoto obrázka. Stiahnite si originálne súbory : schému a DPS v jednom archíve pre program Eagle. Budete to mať omnoho presnejšie, ako z obrázka.

Usmerňovač tretí – napájanie zosilňovača

Tentoraz som potreboval vymyslieť niečo výkonnejšie pre zosilňovač.

Transformátor mal síce výkon 225VA, ale pri 2x30V. Čo dáva maximálny prúd necelé 4A. Ale zosilňovač si vie v špičkách zapýtať, preto som sa chcel trochu poistiť.

Znova som sa hrabal v zdrojoch a našiel som ďalšie dva usmerňovacie mostíky D3SBA60. Jeden má len 4A, ale prečo ich skúsiť nezdvojiť?

Každému som dal vlastnú 4A poistku a celá úprava predchádzajúcej schémy bola hotová. Pomenil som ešte hodnoty kondenzátorov a ich puzdrá.

Ak budete mať napájanie 2x30V, musíte použiť kondenzátory na aspoň 50V. Pretože po usmernení tam bude okolo 2x42V a 40 voltové kondenzátory by vám mohli streliť.

Doska plošných spojov pre 2 x D3SBA60

Doska plošných spojov je len natiahnutou kópiou predchádzajúcej. Ak by sa niekto čudoval nad kondenzátormi (že majú malú kapacitu pre zosilňovač), tak toto nie je kompletná filtrácia. V zosilňovači bude ešte jeden napájací zdroj (5 a 12V), kde bude dodatočná filtrácia v podobe 2 x 4700uF / 50V.

Znova v rohoch uchytenie a pri usmerňovačoch plôšky pre chladenie. Usmerňovače treba chladiť, pretože sa na nich môže strácať v extrémoch až 8W tepla.

Ak si budete chcieť tento napájací zdroj vyrobiť, nerobte to z tohoto obrázka. Stiahnite si originálne súbory : schému a DPS v jednom archíve pre program Eagle. Budete to mať omnoho presnejšie, ako z obrázka.

Ako vyzerajú hotové usmerňovače? Takto:

74HCT151 je 8-bitový multiplexor, ktorý umožní v zapojení spolu s čítačom a DIP prepínačom 9 stupňovú reguláciu. Prvý stupeň je 0%, kedy je signál, bez aktívnej časti. Opačne, 9 stupeň je 100%, kedy je signál bez neaktívnej časti. A ostatných 7 stupňov uvidíte v obrázku. Všimnite si dĺžku aktívnej časti ( červená ) voči celkovej perióde ( červená + modrá ).

Celá perióda je rozdelená na 8 častí. Ak je nastavený stupeň pwm regulácie 0, 8 z 8 častí je neaktívnych. Ak je stupeň 1, 1 z 8 častí je aktívna. Dĺžka 1/8 períody je 0.000625s, dĺžka celej periódy je 0.005s. Preto je výkon prvého stupňa  v percentách ( (1 * 0.000625) / 0.005) * 100 = 12.5%. Ostatné stupne si jednoducho dopočítate. Napríklad 6 stupeň je (( 6 * 0.000625) / 0.005 ) * 100 = 75%.

Podstatou multiplexora je prepínanie vstupov. Multiplexor má jeden výstup ( plus jeden negovaný, ale ten ma nezaujíma ), osem vstupov a 3 vstupy pre nastavenie smeru. Nastavenie smeru v tomto prípade znamená, že z ktorého vstupu prejde signál na výstup. Pozrite si tento animovaný obrázok, ktorý ukazuje princíp multiplexora:

Nasledujúca tabuľka popisuje to, čo ukazuje obrázok. Na vstupy S0, S1, S2 sú v BCD kóde privádzané čísla od 0 do 7 a podľa toho je prepínaný aj tok signálu.

Podľa privádzaných čísel na vstupy S0. S1 a S2 prepína multiplexor vstupy. Ak na vstup I1 privediem úroveň logickej 1, bude táto jednotka aj na výstupe Y, ale len keď bude na vstupe S číslo 1. Toto sa bude diať len raz za periodu a bude to trvať 0.000625s.  Zvyšok z periódy, t.j. 0.004375s bude na výstupe Y úroveň logickej 0.  Ináč povedané, aktívna časť bude na výstupe Y 0.000625s, neaktívna časť 0.004375s. Použijem vzorec na výpočet PWM : ( t_aktiv / T ) * 100 = ( 0.000625 / (0.000625+0.004375 )) * 100 = ( 0.000625/0.005 )*100 =  12.5%

Tým som sa dopočítal k celému princípu PWM s 74HCT151. Podľa toho, na koľko z 8 vstupov ( pri správnom načasovaní prepínania vstupov ) privediem úroveň logickej 1, určím stupeň PWM. Je nutné dodržať postupnosť pinov! Ak chcem priviesť úroveň logickej 1 na dva vstupy, privádzam na I0, I1. Ak na tri, tak na I0, I1 a I2. Postupne, nevynechávam vstupy!

Pre správne fungovanie PWM je dôležité správne načasovanie. Potrebujem postupne privádzať čísla 0 až 7 na vstup S. Správne napísané, čísla 0 až 7 v BCD formáte na piny S0, S1 a S2. Na to poslúži čítač 74HCT90. Pri správnom zapojení, čítač neustále dookola počíta impulzy privádzané na jeho vstup. Ak napočíta 7 impulzov, pri ďalšom sa resetne a počíta znova od nuly. Tu je zapojenie:

Pri tomto zapojení čítač počíta od 0 po 7, potom sa resetne na nulu. Impulzy sú privádzané na vstup A ( pin č. 14. ), výstup je na pinoch č. 12., 9., 8. Keďže čítač musí za sekundu 200 krát napočítať od 0 do 7, musí byť na jeho vstup za sekundu privedených 200 * 8 = 1600 impulzov, čo je aj frekvencia vstupných impulzov v Hz. Takýto oscilátor najjednoduchšie vyrobím pomocou NE555. Tu je schéma:

Keď som ho meral, frekvencia na F_out bola 1521Hz, čo je veľmi blízko požadovaných 1600Hz.

Výsledné zapojenie 8 stupňovej PWM regulácie pozostáva zo 4 častí. NE555 ako oscilátor, 7490 ako čítač, 74151 ako multiplexor a DIP prepínač, ktorý volí stupeň PWM. Tu je schéma ( Kliknite na obrázok, aby sa zobrazilv v plnom rozlíšení ):

DIP prepínač určuje stupeň PWM. V praxi je dobré ho nahradiť nejakou logikou, ktorá sa bude starať o prepínanie. Napríklad kombinácia čítača 7490 a dekodéra 7442, alebo komparátormi a tlačidlami. Ale to niekedy nabudúce…

K čomu je dobrá elektronická záťaž?

Na testovanie zdrojov a nabíjačiek. Pohodlne a rýchlo si nastavíte testovací prúd a už len robíte pokusy. Ľahko zistíte pokles napätia od prúdu, alebo či sa zariadenie nebude prehrievať. Nemusíte prehadzovať rezistory, počítať ich hodnoty, len točíte potenciometrom.

Prvé zapojenie

Vľavo je napájacia časť, ktorá vyrába 12V pre napájanie celého zariadenia. Vpravo je samotná záťaž.  Na svorku TEST+ sa pripojí kladný pól testovaného zariadenia, na TEST- sa pripojí záporný pól testovaného zariadenia. Otáčaním potenciometra R2 nastavujem bázový prúd tranzistora Q1. Čím vyšší bázový prúd, tým viac sa otvorí tranzistor Q1. A tým väčší prúd bude tiecť medzi svorkami TEST+ a TEST-. Tak prebieha testovanie. Tranzistor Q1 mení všetku energiu na teplo, preto ho treba pripevniť na vhodný chladič.

Pri tomto zapojení sa mi podarilo nastaviť najvyšší testovací prúd na 4.5A. Pretože pri testovaní sa mení všetka energia na teplo, bude sa tranzistor aj chladič veľmi zohrievať. So zohrievaním tranzistora súvisí aj jeho kolektorový prúd. Ten s teplotou tranzistora stúpa. Čiže mám dva problémy. Tranzistora sa zohrieva a kolektorový prúd sa samovoľne mení.

Ako som stabilizoval testovací prúd?

Chcem napríklad testovací prúd 1500mA. Pomocou potenciometra R2 nastavím vyšší prúd, dajme tomu 2000mA. Cez potenciometer R10 ho znížím na 1500mA. Takto vznikne stabilizačná slučka. Ak sa zvýši testovací prúd cez tranzistor Q1, zvýši aj úbytok napätia na paralelne zapojených rezistoroch R4 až R9. Zvýšené napätie sa cez R10 prenesie aj na bázu tranzistora Q2. Ten sa trochu viac pootvorí a zníži bázový prúd tranzistora Q1. Testovací prúd klesne. Tým sa výstupný prúd stane nezávislejším od teploty.

Ako som schladil tranzistor Q1? Ventilátorom!

Pri mojich testoch som dokázal na tranzistore Q1 stratiť až okolo 95W tepla. Pri pasívnom chladení by to chcelo poriadny kus hlínika a preto som dal radšej menší chladič s ventilátorom. Aby ventilátor stále nevrčal, použil som zapojenie z predchádzajúceho článku. Nová schéma vyzerala takto:

Je to 4 stupňové ovládanie ventilátora s komparátorom. Celý popis je v tomto článku. Skrátene sa to dá opísať takto : Komparátor cez termistor R18 sníma teplotu chladiča tranzistora Q1. Pri 30°C roztočí ventilátor na veľmi nízke otáčky (1. stupeň). Pri 40°C (2. stupeň) a 50°C (3. stupeň) znova otáčky zvýši.  Ak sa chladič zohreje nad 60°C (4. stupeň), roztočí ventilátor na maximálne otáčky. Termistor musí byť samozrejme pripevnený k chladiču tranzistora T1.

Doska plošných spojov

Doska je navrhnutá pre krabičku Z3A/KP4 z www.sos.sk alebo U-KP04 z www.gme.sk s rozmermi 69x90x110mm. V dvoch protiľahlých rohoch dosky plošných spojov sú priestorové rezervy pre dieru na skrutku. V strede je nechané miesto pre stĺpik krabičky. Cez stĺpik prechádza skrutka spájajúca obe polovice krabičky dokopy.

Všetky 3 výkonové prvky treba chladiť. Transzistoru BD244 a stabilizátoru 7812 stačia malé chladiče pripevnené k doske plošných spojov. Preto je aj okolo nich voľné miesto. Tranzistor 2SC5200 produkuje najviac  tepla. V extrémnych prípadoch okolo 100W. Preto musí byť umiestnený na dostatočnom chladiči. Všimnite si ďalej rezistory R4 až R9. Naschval som medzi nimi nechal medzeru a popod ne neviedol žiadnu cestičku. Je to kvôli tomu, aby ste pod každým navŕtali dieru kvôli lepšiemu chladeniu. Pri plnom vyťažení (4500mA) produkujú okolo 12W tepla a preto je nutné ich dobre chladiť. Neosádzajte ich priamo na dosku, ale nechajte ich aspoň 5mm vo vzduchu. Budú sa tak lepšie chladiť. Druhou možnosťou je osadiť tam jeden rezistor v hliníkovom puzdre s výkonom 20W a hodnotou medzi 0.47 až 0.68Ω.

Všetky súbory (schému aj DPS) pre program Eagle si môžete stiahnuť v  jednom archíve. Budete to mať omnoho presnejšie a jednoduchšie, ako keby ste to tlačili a robili z obrázka.

Galéria fotografií

(To je ale krásna fotka, čoooo?) Vľavo je hlavný vypínač a nad ním kontrolka. Začínam si zvykať, že každé zariadenie musí mať vlastný vypínač a poistku. Len na tú poistku som akosi zabudol. Čo už.  V strede dole sú banániky pre pripojenie testovaného zariadenia. V strede hore sú potenciometre, jeden pre nastavenie prúdu, druhý pre jeho stabilizáciu. Vpravo hore sú kontrolky ventilátora (Štvrtá červená mi padla dnu a všimol som si to až teraz). Vpravo dole je napájací konektor. Bez cudzieho napájania elektronická záťaž nefunguje.

Zadný panel obsahuje len chladič s ventilátorom.

Záverečné zhodnotenie

Po niekoľkých pokusoch a testoch som nadmieru spokojný. Chladič s ventilátorom stíhajú, nemajú problém ani s 95W tepla. Testujem transformátory, nabíjačky a skúšam čo vydržia. Nemusím riešiť rezistory a ich chladenie, stačí len pripojiť a testovať.

Schéma zapojenia

Ako to funguje?

R18 je termistor, ktorý má pri izbovej teplote odpor okolo 10kΩ (Je to presne tento z sos.sk). So stúpajúcou teplotou jeho odpor klesá. Z rezistora R19 a termistora R18 je vytvorený napäťový delič. So stúpajúcou teplotou napätie deliča klesá. Ja som si tieto napätia odmeral a zapísal : 6.23V / 20°C, 5.17V / 30°C, 4.12V / 40°C, 3.50V / 50°C a 2.85V / 60°C. Podľa týchto napätí som vyrobil delič zložený z rezistorov R12 až R17. So stúpajúcou teplotou teda klesá napätie deliča R18/19 a to je privedené na všetky invertujúce vstupy komparátora. S klesajúcim napätím komparátor spína v poradí D (30°C), C (40°C), B (50°C), A (60°C). Na výstup (ktorý je v prípade LM339 spínaný voči mínus pólu) sú pripojené LED diódy indikujúce aktuálny stupeň chladenia. Akonáhle zopne pri 30°C prvý stupeň komparátora, cez rezistor R27 otvorí PNP tranzistor T1 a ventilátor sa začne pomaly otáčať. Ak to nestačí a zohreje sa nad 40°C, zopne sa ďalší stupeň. Až po štvrtý, kedy už ide ventilátor naplno.

Prečo má R24 iba 470Ω?

Prvý stupeň komparátora cez rezistor R27 pomaly roztočí ventilátor. Druhý stupeň komparátora cer rezistor R26 zvýši bázový prúd tranzistora T1 a tým roztočí ventilátor na vyššie otáčky. Tretí stupeň znova o niečo zvýši otáčky ventilátora (cez rezistor R25). Ak stále otáčky nestačia, treba ventilátor roztočiť naplno. Preto má rezistor R24 takú malú hodnotu.

Každý ventilátor a tranzistor je iný.

Typ tranzistora T1 môže byť ľubovoľný, len musí byť PNP a výkonový. Použitý ventilátor môže mať iný výkon ako môj. Preto si jednoduchou zmenou hodnôt rezistorov R27, R26  a R25 sami nastavte otáčky. So stúpajúcou hodnotou rezistorov otáčky klesajú.

Umiestnenie termistora

Termistor musí byť samozrejme pripevnený o chladič, aby snímal jeho teplotu. Dajte ho však tak, aby nebol ofukovaný ventilátorom. Ak máte z jednej strany rebrá chladiča a ventilátor, dajte ho z druhej strany. Ofukovanie ventilátorom by značne skresľovalo teplotu.

Hysterézia

Zapojenie neobsahuje a nerieši hysteréziu. Preto sa Vám môže za správnych podmienok stať, že bude len tak “prefúkavať”. Pár sekúnd pôjde, na pár sekúnd sa vypne. Deje sa to vtedy, keď teplota stúpne len mierne nad niektorý stupeň. Vtedy roztočenie ventilátora spôsobí ochladenie a za pár sekúnd jeho vypnutie. Chladič sa znova zohreje o nejaký stupeň a ventilátor zopne. A takto dookola.

Na záver…

Ja som toto zapojenie použil v elektronickej záťaži, ktorá dodanú energiu mení na teplo. Fotografie hotového zapojenia a indikácie budú v pripravovanom článku.

Základné fakty o olovených akumulátoroch

• 6V olovený akumulátor sa skladá z troch 2V článkov zapojených do série.
• Nabíjacie napätie nesmie byť väčšie ako 2.4V na článok (7.2 na akumulátor).
• Nabíjací prúd nesmie byť väčší ako 1/10 kapacity akumulátora.
• Kapacita akumulátora je 1.3h, desatina je teda 0.13A (130mA).

Okolo napätia článkov (nabitého, nabitého po ustálení, vybitého, vybitého pri záťaži) a nabíjania akumulátorov sa dá toho ešte veľa popísať. Odporúčam Vám prečítať si článok na wikipédii.

Prvý návrh – obmedzenie prúdu a napätia

Už prvá schéma predstavuje kompletnú a funkčnú nabíjačku. A veľmi jednoduchú.

Nedávno som opisoval zdroj ako základ domáceho laboratória. Pretože bude napájať aj túto nabíjačku, musel som sa tomu prispôsobiť. Akumulátor potrebuje maximálne 130mA pri 7.2V, ale zdroj dokáže poskytnúť až 2200mA pri 18V. Tomu som sa musel prispôsobiť.

Na obmedzenie napätia som použil stabilizátor LM317. Pomocou rezistorov R3 a R4 som výstupné napätie znížil na 7.1V. Už zostalo len obmedziť výstupný prúd. Pretože som mal v pláne nabíjačku rozšíriť o ďalšie obvody, dal som pred LM317 stabilizátor 7812. Medzi ne som vložil rezistory R1 a R2. Čím väčší prúd bude tiecť do akumulátora, tým vyšší bude aj úbytok napätia na týchto rezistoroch. Vyšší úbytok napätia donúti znížiť LM317 výstupné napätie, čo zníži nabíjací prúd.

Ostatné súčiastky len dopĺňajú zapojenie. LED dióda signalizuje napájanie, kondenzátory filtrujú a vyhladzujú napätie, poistka chráni batériu pri poruche. D1 chráni pred opačným vstupným napätím. Svorky DC_IN +/- slúžia pre napájanie, BAT+/- pre pripojenie akumulátora.

Druhý návrh – ochrana pred prepólovaním

Akumulátor nemá “nezameniteľné” koncovky a preto ho môžete pri pripájaní ľahko prepólovať. Najjednoduchšou ochranou by bola dióda na výstupe, ale to zas nie je ono. Ja som si navrhol elegantnejšie riešenie.

Medzi LM317 a svorky na akumulátor som vložil relé K1. Po zapnutí zdroja je relé vypnuté a na svorkách na výstupe nie je napätie. Ak správne pripojíte akumulátor dióda LED1 sa rozsvieti (zelená farba). Prúd cez ňu tečúci zopne tranzistor T1 a súčasne relé K1. Nabíjanie začne.

Ak sa Vám podarí pripojiť akumulátor opačne, prúd cez LED1 nepotečie a ani nezopne tranzistor T1 (a tým pádom ani relé K1). Prúd ale potečie cez LED2 (červená farba) a optočlen OK1. Ten zopne cez tranzistor T2 bzučiak SG1, ktorý začne pískať. Tým dá jasne najavo, že batéria je zle pripojená.

Tretí návrh – indikácia prúdu

Napadlo ma, že by bolo celkom zaujímavé vedieť, čo sa deje s akumulátorom. Aspoň nejaká jednoduchá signalizácia nabíjacieho prúdu. Tak som do schémy zakomponoval aj komparátor.

Už v prvom kroku som písal o súvislosti prúdu, napätia a rezistorov R1 a R2. Čím je prúd tečúci do akumulátora vyšší, tým je napätie za rezistormi R1 a R2 nižšie. Ja som sa toho chytil a toto napätie priviedol na 4 deliče tvorené rezistormi R11 a R12. Odtiaľ som dostal 4 rôzne napätia závisiace od tečúceho prúdu. Tie som priviedol do komparátora. Aby komparátor mohol fungovať, potrebuje voči niečomu porovnávať. Referenčné napätie som vytvoril deličom z rezistorov R9 a R10.

Ako to teda funguje?

Ak je splnená podmienka, že napätie na invertujúcom vstupe (-) je väčšie ako neinvertujúcom (+), výstup komparátora sa zopne voči mínus pólu napájania. Preto som na všetky invertujúce vstupy priviedol napätie 6V z rezistorového deliča R9 a R10. Ak je nabíjací prúd okolo 105mA, napätie za rezistormi R1 a R2 klesne na 9.5V a na deliči R11/R12 bude tesne pod 6V. Komparátor zopne a rozsvieti LED6. Tá indikuje najvyšší nabíjací prúd – cez 100mA. Ďalšie stupne indikujú približne 40mA, 15mA a 7mA. Nedá sa to vypočítať presne, iba zmerať. Aj to je otázne, pretože kvôli teplu sa parametre rezistorov a komparátora menia.

Doska plošného spoja k poslednej schéme

DPS som navrhoval od začiatku na krabičku U-KM35 z GME. Preto má rozmer 80x80mm a v strede dieru pre stĺpik krabičky. V dvoch rohoch DPS sú voľné miesta pre uchytenie ku krabičke.

Okolo IC1 a IC2 som nechal voľný priestor na chladič. Oba integrované obvody sa budú zohrievať, preto je nutné ich chladiť. Aj cestičky som viedol tak, aby sa dala navŕtať skrutka na uchytenie chladiča.

Veci ohľadom chladenia platia aj pre rezistory R1 a R2. Na začiatku nabíjania a pri vyššom nabíjacom prúde budú produkovať okolo 3W tepla. Treba ich osadiť aspoň v 2W vyhotovení. Ostatné súčiastky nie sú zaťažované v takom rozsahu, aby ich bolo treba chladiť. Ak budete osádzať dosku do malej krabičky (podobne ako ja), treba ju poriadne rozvŕtať. Mohla sa by sa prehrievať, ak by do nej neprúdil chladný vzduch.

Doska plošného spoja má rozmer približne 80x80mm a môžete si ju stiahnuť v jednom balíku aj so schémami do Eagle, alebo ako obrázok (samozrejme aj zrkadlovo).

Odporúčam Vám použiť súbory z Eaglu, výsledná tlačená DPS bude veľmi presná.

Skúsenosti s hotovou nabíjačkou a galéria fotografií

Hotovú DPS som osadil do krabičky s rozmermi 111x91x35mm bez akýchkoľvek otvorov. Pri tepelných stratách okolo 6W sa krabička do 5 minút veľmi zohriala. Preto som ju rozvŕtal tak, aby chladný vzduch mohol prúdiť. Vám prinášam fotky ešte pred rozvŕtaním.

Najprv pohľad na prednú časť krabičky. Vľavo sú LED diódy indikujúce prechádzajúci prúd a vpravo napájací konektor.

Zadná časť. Vľavo sú konektory pre pripojenie batérie. LED diódy vpravo indikujú batériu a či je správne pripojená.

Pohľad na otvorenú krabičku. Samozrejme ešte pred rozvŕtaním.