Circuito Analógico (Figura 1)
Para as especificações de 0-30V e 0-1A, necessitei de encontrar componentes capazes de operar com uma tensão elevada (< 35V) na secção analógica do projeto. Escolhi o MCP6V51, uma linha de amplificadores operacionais de alta tensão, e os sensores de corrente de alta tensão MCP6C02, uma vez que cumpriam os requisitos do meu projeto.

O projeto consiste num circuito de realimentação de erros convencional, com tensão e corrente constantes. Os amplificadores operacionais selecionados, MCP6V51, suportam tensões até 49 V e destacam-se pela baixa deriva e pelo bom desempenho em corrente contínua. Os valores das resistências são mantidos baixos (10 kΩ) e iguais nas entradas inversora e não inversora para minimizar qualquer erro de offset. Estas resistências, juntamente com os condensadores de 1 µF (C1, C2), fornecem uma função de filtro RC para eliminar qualquer ruído residual das saídas do conversor digital-analógico (DAC). As tensões ajustadas são fornecidas pelos DAC do microcontrolador, de 0 a 3,3 V, pelo que a tensão de realimentação de entrada deve ser ajustada para este nível utilizando R1 e R2.

Em relação à corrente, é preferível medi-la no lado de alta tensão para manter uma terra comum e utilizar a menor resistência de deteção de corrente possível, minimizando assim a queda de tensão e a dissipação de energia. O sensor de corrente de alta tensão MCP6C02 cumpre estes critérios. Pode operar com até 65 V e com um ganho de 100, permitindo um pequeno resistor shunt. Uma vez que a corrente máxima esperada para esta aplicação é de 1 A, a resistência do shunt deve ser de aproximadamente 30 mΩ, o que produziria uma tensão de feedback de 30 mΩ * 1 A * 100 = 3,0 V. O resistor é implementado com uma pista de cobre de 40 milésimos de polegada de largura (aproximadamente 1 mm) e cerca de 64 mm de comprimento na placa de circuito impresso (ver Figura 3).

A carga numa fonte de alimentação de laboratório pode variar de um circuito aberto a um curto-circuito, pelo que são necessários componentes de proteção adicionais. Os díodos de uso geral de 1A ligados em sentidos opostos (D1, D2), juntamente com a resistência limitadora de corrente R3, garantem que a tensão de entrada diferencial do chip de deteção de corrente se mantém abaixo da tensão máxima de 1,2V em quaisquer condições. O condensador de integração (C3) no amplificador de corrente deve ser várias ordens de grandeza superior ao do lado da tensão para compensar o atraso de propagação adicionado pelo amplificador de deteção de corrente, estabilizando assim o circuito. Um segundo canal do DAC do microcontrolador fornece a tensão ajustada (que, por sua vez, fornece a corrente ajustada) ao amplificador de erro de corrente U2.
As saídas dos dois amplificadores estão interligadas numa porta lógica OR com os díodos de sinal pequeno D3 e D4 para acionar os transístores de passagem Darlington na saída. A porta OR determina se a fonte de alimentação está no modo de tensão constante ou de corrente constante.

Circuito do microcontrolador (Figura 2)
O microcontrolador controla o teclado e o ecrã LCD, além de gerar os níveis de tensão de referência para os laços de controlo analógicos, o que requer dois canais DAC com boa resolução. Será utilizado um conversor A/D (ADC) para medir vários parâmetros da fonte de alimentação.

O Atmel SAML21 foi escolhido por possuir dois canais DAC de 12 bits complementados por um ADC de 12 bits num pequeno encapsulamento TQFP de 32 pinos. A aplicação não requer um DAC de 12 bits completo; no entanto, recomenda-se alguma margem adicional, dado que existe uma pequena perda de precisão devido a erros de especificação e de arredondamento quando o firmware calcula os valores.

do firmware
foi escrito em C e existem duas versões do driver: uma que fornece funções básicas, denominada PowerSupplyBasic.c, ajustando e medindo a tensão e a corrente; a versão completa, denominada PowerSupplyFull.c, também mede a temperatura do dissipador de calor, aciona uma ventoinha em função da temperatura do dissipador, apresenta a tensão e a potência de entrada e a potência dissipada no transístor de passagem. Estes controladores estão disponíveis na documentação e devem ser adicionados a um projeto do Studio 7 juntamente com o ficheiro inicial PowerSupply.h. O programa foi compilado utilizando o ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) do Studio 7 (versão 7.0.129) e foi utilizado um Atmel ICE para programação e depuração. Os pinos de programação na placa de circuito impresso não são compatíveis com o conector padrão fornecido com o programador, pelo que deve ser instalado um novo conector para garantir que os pinos estão alinhados com os apresentados na Figura 2 e com o esquema da placa.

Ao ligar, a tensão é definida para 0 V e a corrente para 50 mA. O visor mostra a tensão definida e a tensão medida na primeira linha, e a corrente definida e a corrente medida na segunda linha (Figura 5).
Se a versão completa do controlador estiver instalada (bem como o hardware associado, conforme explicado abaixo), podem ser apresentadas funções auxiliares.

A interface principal funciona assim:

Hardware:
As tensões de rutura para componentes passivos de montagem superficial não são geralmente uma preocupação, dado que a maioria dos circuitos opera a baixas tensões. Esta aplicação é uma exceção e, por isso, é importante prestar atenção a este parâmetro. Alguns dos condensadores que utilizei na placa de circuito impresso têm uma classificação de 50 V ou superior. Há boas razões para utilizar condensadores cerâmicos de 50 V (ou superior) em todas as posições, se houver um encapsulamento deste tamanho disponível. A capacitância dos condensadores cerâmicos de chip depende da tensão; a capacitância diminui à medida que a tensão se aproxima do seu valor máximo de funcionamento.

Adicionei uma alimentação VDD separada ao regulador de tensão L78L3.3, VinLOW. Este regulador tem uma tensão máxima de entrada de 30V. Se a sua fonte de alimentação fornecer uma tensão mais elevada, o VinLOW deverá ser alimentado por uma fonte de alimentação separada, de tensão mais baixa, ou deverá ser inserido um componente para criar uma queda de tensão entre o Vin e o VinLOW. Um resistor ou um díodo Zener também funcionarão; este circuito consome cerca de 25mA de corrente, principalmente através do LED que ilumina a parte traseira do ecrã.

Se optar pela versão completa, deverá também ligar o díodo D5 para garantir um bom contacto térmico com o transístor de passagem (TIP140). O resistor R14 fornece uma corrente constante aproximada de 100 µA, pelo que a queda de tensão no díodo depende apenas da temperatura, com valores típicos de 0,7 V e -2 mV/°C. No entanto, existe uma variabilidade significativa no nível de tensão absoluto e no coeficiente de temperatura (inclinação) entre os díodos. Assim, este parâmetro deve ser calibrado separadamente no software. O SAML21 incorpora um módulo de temperatura calibrado de fábrica, o que o torna um bom ponto de partida.
Optei por uma caixa em alumínio, e a fonte de alimentação completa pode ser observada na Figura 5.

Variações:
Se pretender construir apenas a versão básica sem o dissipador de calor com ventoinha, estes componentes não são necessários: T3, R9, R14, R7, R8, D5.
Eu tinha um transformador que fornecia uma tensão retificada de cerca de 40V em vazio e uma corrente nominal de 1A. Assim, defini a tensão regulada máxima para 30V e a corrente máxima para 1A. Os transístores de passagem devem fornecer uma tensão combinada de 4-5V entre o coletor e o emissor a plena carga.
Se tiver um transformador que forneça uma tensão inferior ou superior, pode modificar o código que define a tensão de referência do DAC. Se a variação de tensão desejada estiver fora do intervalo de ajuste do potenciómetro R2, deverá alterar o valor da resistência R1 de modo a que a tensão na entrada inversora de U1 seja inferior ao nível mínimo alto do DAC (VDD – 150mV) para a tensão máxima de saída da fonte de alimentação.
O limite máximo de tensão é definido pela tensão máxima especificada para os amplificadores operacionais e/ou transístores de passagem. Com os amplificadores operacionais selecionados, a tensão de entrada em vazio deve ser inferior a 49,5 V, menos uma margem de segurança. O limite superior de corrente depende da corrente que o transístor de passagem suporta. O TIP140 suporta até 10 A de corrente de coletor CC, mas é possível adicionar transístores de passagem em paralelo (com resistências de partilha de corrente apropriadas) para aumentar ainda mais a corrente de saída. Quando os níveis de corrente são elevados, a dissipação de potência também será elevada, e isto terá de ser resolvido com um design de dissipador de calor adequado. Combinei um dissipador de calor e uma ventoinha de uma motherboard de PC antiga, que funciona muito bem para 30 W. A corrente de controlo da base não será um problema, mesmo ao nível dos 10 A, uma vez que o hFE do TIP140 ainda é elevado.
O transístor de controlo Darlington mais pequeno, o BCV29, está limitado a uma corrente de coletor contínua de 0,5 A com um hFEMIN = 4000 a este nível de corrente, fornecendo assim uma carga muito pequena para o amplificador operacional U1. Este transístor é soldado à placa de circuito impresso e, para aplicações que exijam baixa corrente, é possível omitir o transístor de passagem TIP140 montado externamente e ligar o emissor do BCV29 diretamente à saída da fonte de alimentação. Este transístor é fornecido num encapsulamento SOT89 para montagem em superfície, pelo que a dissipação de potência será limitada, uma vez que a dissipação de calor é mínima. Se esta opção estiver a ser considerada, preste muita atenção à temperatura do transístor BCV29.

Figura 4. Ecrã de saída.

Em conclusão,
o microcontrolador abre muitas oportunidades para incorporar funções nesta fonte de alimentação, como a capacidade de programar uma curva de tensão/corrente ao longo do tempo em testes e outras aplicações.
O objetivo deste projeto não era projetar uma fonte de alimentação comercial de alta precisão, mas sim uma prática para a minha bancada de trabalho, no entanto o resultado superou as minhas expectativas.

Lista de materiais para a fonte de alimentação de 32 bits