Передняя панель управляемого стабилизатора тока
Внутренности стабилизатора/источника тока. К задней крышке крепятся, сверху вниз: аналоговая плата, микроконтроллер, бустер. На фронтовой панели органы управления и индикации
В моем заказном столе, сразу под столешницей, есть выдвижной ящик. Это промежуточный кэш, куда вначале попадает все что находится на столе, и потом перекочевывает на свои места в другие, менее приоритетные ящики. В последнее время я все время натыкался на свое изделие, а раз так, решил написать про него. Мне нравится, как я сделал аналоговый источник/стабилизатор тока, плюс предмет моей гордости — лаконичный интерфейс состоящий из дисплея на семисегментных индикаторах, крутилка — джойстик на потенциометре и всего две кнопки — Set, Start и Stop.
Аналоговыми вещами я занимался давно, и представился случай тряхнуть стариной — сделать прототип чего-либо подобного.
Даже и не знаю, как его назвать — это разработанный и изготовленный по заказу косметолога приборчик, задача которого — держать выходной ток через внешние электроды стабильным и менять его по определенной программе. Даже и думать не хочу, что планируют делать косметологи со своими пациентами (пытают?), знаю только, что есть много факторов которые будут мешать стабилизации — контакт электродов с кожей, ее потливость (когда пытки становятся интенсивнее), ну и может ее электропроводность, которую никто не может посчитать заранее. Поэтому стабильный ток на выходе — нужен.
Сразу оговорюсь, что я использую термин «ток» не в общеупотребительном смысле, а именно как физическую величину I, в отличие от напряжения U. Напоминаю, что в электротехнике «источник тока» это специальный термин, точно также как и «источник напряжения».
Буду описывать разработанную мной принципиальную электрическую схему пытателя, начиная со второстепенных деталей, и в завершение расскажу подробнее как я сделал собственно сам стабилизатор/источник тока.
Электрическая принципиальная схема стабилизатора/источника тока
На схеме незримо присутствует микроконтроллер (МК) STM32F103, выдавая себя своими контактами. Само собой, на нем крутится программа, на работу которой мы будем иногда отвлекаться.
Начнем с электропитания. Аккумулятор форм-фактора Кроны BT1 подключается через защитный диод Шоттки D1. Не забываем, что косметологи это люди которым ничего не стоит переполюсовать батарею и засадить её против ее контактных площадок. Мы знаем своих клиентов!
Дальше пути 9 вольт расходятся (на самом деле 8.4 В, аккумулятор же, но пусть будет так). Одна линия идет на стабилизатор U1, который питает пищалку (есть и такое) на транзисторе Q1 и ЦАП на транзисторе Q4. Да — да, вы не ослышались, это цифро-аналоговый преобразователь. В нашем простейшем МК его нет, поэтому — сделай сам. К ЦАП мы сейчас вернемся, а пока завершим с электропитанием.
Другая линия 9 В идет на ключ, образованный Q2 и Q3, задача которого — по команде с МК подавать питание на бустер U2, который повышает напряжение до 30 В. Как вы помните, напряжение до 36 В считается относительно безопасным для человеческого организма. Это напряжение используется для формирования стабильного тока.
Вернемся к ЦАП. Его задача — сформировать управляющее напряжение на входе источника тока. ЦАП состоит из операционника U3A (вход 3) и транзистора Q5. Это напряжение будет полностью определять ток во внешней цепи электродов J5. Как работает этот ЦАП? На вход транзистора Q4 подается PWM сигнал от МК. Управление осуществляется изменением скважности PWM, что делает софт — устанавливая ее для заданных временных интервалов или вручную через крутилку. Q4 нагружен на RC цепочку — фильтр нижних частот R5, R6, C1. Постоянная времени фильтра выбрана большой; благодаря этому на выходе фильтра формируется постоянное напряжение, пропорциональное скважности импульсов PWM.
Транзистор Q4 работает в ключевом режиме. Для того чтобы время заряда и разряда конденсатора C1 было одинаковым, используется диод D2: заряд при запертом Q4 идет по цепи 5 В -> R5 -> D2, разряд при открытом Q4 идет по цепи R6 -> Q4. Сопротивления резисторов R5 и R6 равны. Таким образом, цифро-аналоговое преобразование выполняется через управление скважностью цифрового сигнала, с пропорциональным изменением постоянной составляющей которую выделяет RC фильтр.
В схеме есть измеритель выходного тока электродов для его отображения на индикаторе и коррекции. Он реализован на операционнике U3B, выход которого идет на АЦП МК PA1. Выходной ток проходит через токовый шунт номиналом 100 Ом и измерение напряжения (и значит тока) производится на нем.
Потенциометр / крутилка / джойстик подключен к другому АЦП МК PA0, кнопки — к GPIO. Пищалка получает звук от МК и сигнализирует об окончании процедуры. Дисплей подключается по последовательному интерфейсу и работает от МК.
И теперь переходим к главному — собственно к источнику тока. Он реализован на p-n-p транзисторе Q5. Тип p-n-p потому что комфортней иметь общий провод ближе к земле, а не к питанию.
Идея схемы на Q5 — эмиттерный повторитель. Это значит, что благодаря обратной связи по напряжению повторитель держит стабильное напряжение на резисторе в эмиттерной цепи, практически не чувствуя нагрузки (естественно, в определенных пределах). Стабильное напряжение на резисторе — это значит стабильный ток в эмиттерной цепи и соответственно в коллекторной, поскольку это один и тот же ток. Вот так и выглядит дизайн источника/стабилизатора тока.
В статье про однокаскадный усилитель я подробно разбирал принцип действия эмиттерного повторителя. Напомню еще раз — сигнал обратной связи как сигнал рассогласования получается как разность напряжения на базе и падения напряжения на резисторе в эмиттерной цепи. Но в этой схеме я пошел еще дальше. Я дополнил схему операционником, благодаря чему сигнал рассогласования усиливается многократно, что ведет к более стабильной работе схемы. U3a с одной стороны на неинвертирующем входе получает управляющее напряжение, которого он должен держаться, на инвертирующем — сигнал обратной связи с эмиттерного резистора R14. За счет большого усиления в этой цепи, гораздо большего чем может себе позволить одиночный транзистор, номинал резистора R14 можно держать низким, что благоприятно сказывается на диапаоне выходных токов схемы. Будут вопросы по схеме — пишите!
В такого типа устройствах, когда провода выходят наружу, первым делом возникает мысль — а что если их закоротить и тем самым сжечь прибор? Это как раз не наш случай. Режим короткого замыкания для источника тока — самый комфортный и естественный режим. Теоретически, для него разомкнутая цепь также катастрофична как и короткозамкнутая для источника напряжения.
То, про что еще можно рассказать — это софт. Тут вы сами можете дать волю своему творчеству. Со своей стороны замечу, что несмотря на простоту, дисплей имеет хорошую функциональность — на нем можно отображать и выбирать пункты меню, пользуясь крутилкой/потенциометром для скроллинга, задавать этой же крутилкой таймеры и выходной ток, задавать сложные программы когда выходной ток должен меняться со временем.
Пока прототип ушел к своему заказчику, и не исключено что мы его запустим в серию. Но это уже про маркетинг )
Ответить