Quadro alimentatore per laboratorio mobile “SeraLab”

La realizzazione del mio laboratorio di elettronica mobile “SeraLab” ha rivoluzionato fin dall’inizio il mio modo di lavorare in campo elettronico, permettendomi di adattarmi agli ambienti più disparati.

Lo step successivo è stato quello di rinnovare il banco di alimentazione. Quello precedente infatti risultava alquanto ingombrante rispetto alle funzionalità che offriva. Ho così pensato di realizzarne uno su misura più completo e dotato inoltre di un alimentatore regolabile integrato. Il tutto allo stesso tempo più compatto per sfruttare al meglio lo spazio disponibile all’interno del laboratorio, consentendo l’aggiunta un’ulteriore fila di cassetti in cui riporre componenti.

Ecco disponibili i link al video dedicato ed al materiale utile alla replica del progetto.

Buon divertimento!

Panoramica, realizzazione e funzionamento del progetto

Modelli 3D dei componenti plastici

Gerber per fabbricazione PCB

AVVERTENZE: il progetto funziona con la tensione di rete 230V, è necessario il collegamento all’impianto di terra di tutte le parti metalliche, oltre ad impiegare un impianto elettrico dotato di interruttore di protezione funzionante.

 

Panoramica del quadro alimentatore

Il quadro alimentatore consiste in un box realizzato in lamiera di acciaio opportunamente lavorata e verniciata.

Sulla parte sinistra è presente un connettore AC 230V per il rapido collegamento della rete a monte dell’interruttore generale (magnetotermico con differenziale) presente sulla parte frontale. L’alimentazione del quadro è gestita dai pulsanti STARTSTOP (monostabili) e dal comando di emergenza (bistabile). La spia MASTER si accende all’attivazione del quadro, mentre la spia RESET in stato di interruzione da comando di emergenza.

Le rispettive uscite del banco di alimentazione sono gestite tramite gli appositi interruttori a levetta, ai quali sono associate spie a led verdi che ne indicano l’attivazione.

Le uscite si suddividono in:

  • Prese schuko direttamente collegate alla rete 230V.
  • Presa 230V isolata da rete per mezzo di un trasformatore di isolamento e protetta da fusibile.
  • Uscita 12/24V AC proveniente da apposito trasformatore e protetta da fusibili.
  • Uscite DC +3.3V, +5V, +12V, -12V provenienti da alimentatore ATX.
  • Prese USB.
  • Regolatore CV/CC integrato (Modello DPS5015) che fornisce in uscita un’alimentazione regolata in tensione o corrente, impostata grazie all’interfaccia dotata di display. E’ alimentato dal trasformatore precedente attraverso un raddrizzatore con filtro.

E’ bene notare che riferendo la massa di questo regolatore alle masse dell’intero banco (connesse a terra) non è consentito il riferimento a massa di alcuna delle uscite in alternata del trasformatore 12/24V. In caso di necessità tuttavia, l’azionamento dell’ultima levetta ne effettua la disconnessione per permettere il riferimento del trasformatore senza provocare cortocircuiti. Ciò determinerà lo spegnimento della spia “don’t short to ground” e l’accensione di “float” in prossimità dell’uscita regolabile, per indicare che l’uscita negativa del regolatore non è più riferita a massa.

Sulla parte posteriore del banco è inoltre presente una ventola da 80mm, pilotata tramite un termostato, per forzare il ricambio d’aria quando necessario.

Da non trascurare è inoltre la presenza sul retro di una linea dedicata per l’alimentazione dell’oscilloscopio. Questa permette, rispetto alla vecchia disposizione, di non dover occupare una presa per il suo collegamento.

 

Schema funzionale

Si osserva come circuito di comando e circuito di potenza per la gestione dell’alimentazione delle varie uscite sono separati opportunamente tramite relays. Ciò oltre a permettere il pilotaggio di grosse correnti che altrimenti non sarebbero gestibili dagli interruttori a levetta, consente di evitare la presenza di tensioni pericolose nella parte circuitale di comando.

A monte del quadro è presente l’interruttore di protezione magnetotermico-differenziale SW0 volto a sezionare l’alimentazione generale.

A valle di questo si ha il circuito di autoritenuta costituito dal pulsante di start SW7, l’interruttore di emergenza SW9, il contatto NC K7 associato al pulsante di stop SW8 ed il relay di autoritenuta K0. La pressione del pulsante di start SW7 determina l’eccitazione della bobina K0 con conseguente chiusura dei contatti NO K0. Si ha quindi la fornitura di alimentazione al quadro e l’accensione della spia BULB1 (MASTER). Il terzo contatto K0 in parallelo a SW7 funge da autoritenuta per la bobina in seguito al rilascio di quest’ultimo.

L’interruzione dell’alimentazione a valle è invece possibile grazie all’apertura del contatto SW9-A (pressione dell’interruttore di emergenza) oppure in seguito all’apertura di K7 (contatto associato alla bobina eccitata alla pressione di stop SW8), i quali disinnescano l’autoritenuta di K0. L’azionamento dell’interruttore di emergenza (bistabile) viene inoltre indicato dall’accensione della spia BULB2 (RESET) in seguito alla chiusura del contatto SW9-B.

La parte di comando, alimentata a 12V dall’apposito alimentatore, consiste negli interruttori a levetta per gestire l’alimentazione delle rispettive uscite tramite relays. A ciascuno è associato un rispettivo led che ne indica l’attivazione. L’alimentazione della parte di comando è indicata dall’accensione del led L0 (CONTROL UNIT) e L11 (presente sulla scheda).

La chiusura dell’interruttore SW1 (ISOLATION TRANSFORMER) determina la chiusura di K1 che fornisce alimentazione al trasformatore di isolamento TR1 alla cui uscita è collegata la presa isolata, dotata della spia BULB3 che ne indica la presenza di tensione. Essendo questa posta a valle di un fusibile, l’eventuale intervento è indicato dallo spegnimento di tale spia.

La chiusura di SW2 (12V/0/12V TRANSFORMER) determina la chiusura di K2 che fornisce alimentazione al trasformatore TR2, alla cui uscita a presa centrale sono collegate, a valle dei 2 fusibili che proteggono le 2 fasi, le 3 boccole per il prelievo dell’alimentazione alternata (AC OUTPUT). La presenza di tensione, nonché l’integrità dei fusibili presenti sulle singole fasi, è indicata dall’accensione dei led L9, L10. Ciascuno di questi è collegato tra la singola fase e la presa centrale tramite un apposito circuito volto a raddrizzare e filtrare la tensione alternata.

Il regolatore CV/CC prende alimentazione dal trasformatore TR2 appena citato. Pertanto la chiusura dell’interruttore SW5 (VARIABLE CV/CC POWER SUPPLY) oltre a determinare l’eccitazione di K5 con conseguente collegamento del ponte raddrizzatore BR1 all’uscita di TR2, deve inoltre determinare l’eccitazione di K2 per alimentare tale trasformatore. Ciò, indipendentemente dall’azionamento di SW2, è possibile grazie al diodo D8. All’uscita del raddrizzatore BR1 si ha il condensatore C3 per filtrare la tensione unidirezionale proveniente dall’uscita di TR2, da fornire in ingresso all’alimentatore regolabile DPS5015.

E’ bene notare che, essendo l’uscita negativa di questo normalmente riferita a massa, non è possibile riferire ad essa alcuna uscita diretta del trasformatore, cosa che risulterebbe tuttavia utile in certi casi, ma che provocherebbe un cortocircuito su uno dei rami del ponte raddrizzatore.

Per ovviare al problema è stato posto il contatto NC K6 per gestire, tramite il deviatore a levetta SW6 (DETACH CV/CC OUTPUT GROUND), il riferimento a massa dell’uscita negativa del regolatore. A deviatore SW6 “spento” si ha l’alimentazione di L7 (Don’t short to ground) per indicare il divieto di riferire a massa alcuna delle uscite di TR2, in quanto il contatto K6 a riposo risulta chiuso.

A deviatore SW6 “attivato” invece si ha l’alimentazione della bobina K6 che determina l’apertura del contatto volto a scollegare da massa l’uscita del regolatore. Si ha pertanto lo spegnimento del precedente led L7 e l’accensione di L8 (Float) per indicare che l’uscita del regolatore non è più riferita a massa.

La chiusura dell’interruttore SW3 (DC POWER SUPPLY) determina, tramite la chiusura di K3, il collegamento dell’alimentatore ATX, alle cui uscite sono collegate le rispettive boccole per il prelievo dei potenziali standard per l’alimentazione di svariati circuiti elettronici (DC OUTPUT). La presenza di tensione è indicata da L12. Su questa uscita non sono presenti fusibili in quanto l’alimentatore è dotato di una protezione interna.

L’azionamento di SW4 (USB POWER SUPPLY) determina la chiusura di K4 con conseguente alimentazione dell’alimentatore dedicato per le prese USB, le quali si collegano alle uscite tramite prolunghe apposite. La presenza di tensione su queste è indicata dall’accensione di L13, il cui collegamento è effettuato intercettando i conduttori +5V e GND all’interno del cavo.

Essendo l’ingresso dell’alimentatore USB bipolare, la massa delle uscite, la quale non è normalmente riferita a terra come le altre masse del quadro, è stata opportunamente collegata alla carcassa.

Le masse di tutte le uscite costituiscono quindi un unico nodo equipotenziale collegato al conduttore di terra, così come l’intera carcassa metallica del quadro.

 

Scheda elettronica

Per semplificare la distribuzione e il collegamento della componentistica all’interno del box è stata realizzata un’apposita scheda di controllo a cui convergono gli ingressi, le uscite, nonché le varie spie a led e gli interruttori per la gestione.

Inizialmente questa consisteva in due basette millefori che ospitavano un circuito sperimentale, il quale ha permesso il test del sistema e l’eventuale applicazione di modifiche.

Successivamente è stato eseguito lo sbroglio del circuito definitivo, generati i file gerber necessari ed effettuato l’ordine del circuito stampato tramite PCBWay.

PCBWay è un’azienda specializzata nella produzione di circuiti stampati di alta qualità. Ordinare è molto semplice: è sufficiente indicare le principali carateristiche del nostro PCB per ottenere la stima del costo e successivamente effettuare l’upload dei file gerber del nostro progetto per procedere all’ordine. Il costo è molto contenuto: ammonta a soli 5$ per 5x PCB dual layer di dimensioni fino a 100x100mm.  Ogni nuovo utente ha inoltre un bonus di 5$!

Ottenuto il circuito stampato si nota immediatamente la qualità di realizzazione, che fornisce al progetto un bel tocco professionale! Sono stati quindi piazzati e saldati tutti i componenti.

 

Cablaggio

E’ stato quindi eseguito il cablaggio delle varie parti del circuito. Per massimizzare la modularità, i componenti del circuito di comando si avvalgono di connettori dupont per il collegamento con la scheda, rendendo semplice e rapido il disassemblaggio per facilitare eventuali operazioni di manutenzione.

Il tutto è collegato alla scheda nel seguente modo, prestando particolare attenzione al collegamento della carcassa metallica all’impianto di terra. Quest’ultimo è riferito alla massa circuitale tramite un collegamento interno alla scheda.

I vari componenti sono stati opportunamente distribuiti all’interno dell’involucro per caratterizzarlo di un peso il più possibile bilanciato.

Nella parte sinistra si osservano il connettore AC per l’alimentazione, l’interruttore generale con il relay di sezionamento, il trasformatore di isolamento, l’alimentatore ATX e la ventola da 80mm.

Al centro si osservano le prese schuko, dietro alle quali è situato l’alimentatore USB e la scheda di controllo.

Nella parte destra si osserva invece il secondo trasformatore, la scheda dell’alimentatore regolabile DPS5015 ed il ponte raddrizzatore fissato alla parte posteriore. Questo sfrutta la carcassa metallica come dissipatore e per massimizzare la trasmissione del calore è stata opportunamente interposta della pasta termoconduttiva. Nella zona in cui tende a concentrarsi il calore è stato posizionato il termostato per il pilotaggio della ventola.

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