Alimentation pilotée par micro-contrôleur
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Hardware
AuthorImage:[Here we need a little image from you]
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original in en Guido
Socher
en to fr Iznogood
AboutTheAuthor:[A small biography about the author]
Guido aime Linux non seulement parce qu'il est amusant d'en découvrir
les grandes possibilités mais aussi à cause des personnes
impliquées dans sa conception.
Abstract:[Here you write a little summary]
Cet article est le quatrième volet de la série sur les micro-contrôleurs
AT90S4433 de LinuxFocus. Je vous suggère de lire
les articles précédents sur la programmation des micro-contrôleurs Atmel pour ce
qui concerne :
- Comment installer et utiliser l'environnement de développement d'AVR
pour Linux et comment fabriquer le programmateur :
Mars 2002,
Programmer le micro-contrôleur AVR avec GCC
- Comment créer votre propre circuit imprimé :
Mai 2002, Un panneau de contrôle
LCD pour votre serveur Linux
- Comment construire le boîtier de votre alimentation :
Septembre 2002,
Compteur de Fréquence 1Hz-100Mhz avec afficheur LCD et interface RS232
Un des éléments les plus importants de votre laboratoire personnel est une
bonne alimentation fiable. Dans cet article, nous allons construire cette
alimentation. Et elle sera régulée par micro-contrôleur. Elle possède un afficheur LCD
et vous pouvez lui envoyer des commandes depuis votre machine Linux par une interface RS232.
Elle est également très robuste.
Cet article montre aussi la versatilité des micro-contrôleurs. Ce
n'est pas, malgré tout, le circuit le plus simple.
Si vous cherchez une simple alimentation à courant continu,
jetez un coup d'oeil à
"une simple alimentation à courant continu". L'alimentation simple est
suffisante pour les autres
expérimentations électroniques présentées dans
LinuxFocus. Cela n'a néanmoins rien à voir
avec Linux et les logiciels en général.
Même si vous avez seulement construit l'unité "alimentation
simple à courant continu", cette lecture vous permettra de découvrir de nombreux aspects
intéressants des micro-contrôleurs.
ArticleIllustration:[This is the title picture for your
article]
ArticleBody:[The article body]
Introduction
Cette alimentation pilotée par micro-contrôleur ne possède pas le
circuit le plus simple mais je peux vous assurer que vous ne regretterez pas
le temps passé à la construire. Elle est très robuste et fiable. Elle
est aussi techniquement très intéressante car vous apprendrez comment générer
une tension analogique avec un micro-contrôleur sans
convertisseur numérique-analogique.
Il vous faut de nombreux composants pour la réalisation de cette alimentation,
mais ils sont tous bon marché. Elle ne coûte vraiment pas cher.
Ce dont vous avez besoin
Lisez la liste des composants pour
savoir ce qu'il vous faut. Vous pouvez aussi voir les
composants et leurs valeurs dans le schéma ci-dessous.
Il existe trois variantes de notre alimentation. A l'exception du
transformateur et d'une résistance, les différences ne concernent que le
logiciel. Tous les autres composants sont identiques pour les 3 options :
- 0-16V Imax=2.2A
acheter un transformateur de 15V 2.5A
- 0-24V Imax=2.2A
acheter un transformateur de 24V 2.5A
- 0-30V Imax=3A
acheter un transformateur de 30V 3A
Note : Dans les trois cas, il vous faut évidemment un transformateur additionnel
9V, 100mA pour l'alimentation de la carte principale.
Schéma et circuit
J'ai utilisé eagle pour Linux
pour concevoir le schéma et le circuit. Les fichiers eagle sont aussi
inclus dans le paquetage tar.gz avec le logiciel. Vous pouvez le télécharger
à la fin de l'article.
Le circuit est divisé en deux parties. Une partie principale et une
partie qui doit être à proximité des transistors de puissance. Vous voyez
ci-dessous deux schémas indépendants pour les deux blocs mais ils doivent
ensuite être connectés par des fils.
Le schéma principal (cliquez dessus pour une image plus grande) :
Le schéma pour la partie puissance (cliquez dessus pour une image
plus grande) :
Comment connecter les boutons poussoirs à une matrice (cliquez dessus
pour avoir une image plus grande) :
Le circuit principal, vue de dessus (cliquez dessus pour une image plus
grande) :
Le circuit est spécialement conçu pour les électroniciens amateurs. Seule
la couche bleue est destinée à être gravée sous forme de circuit imprimé. Les
lignes rouges sont des fils. Une carte simple face est plus facile et demande
moins de précision dans sa conception. Vous pouvez disposer
les fils (en rouge) de manière à ce qu'ils soient le plus courts possible.
Je n'ai pas réussi à le faire avec eagle.
Les quelques composants de la partie puissance de l'alimentation peuvent être montés sur
des cartes prototypes standard (ces cartes avec de nombreux trous). La
carte principale et la partie puissance sont connectées par des fils (JP2 et
JP3). Vous noterez que le fil de masse de la partie principale se connecte à
la sortie de courant. C'est correct et c'est la raison pour laquelle nous
avons besoin de deux transformateurs (un pour la partie puissance et
l'autre pour la partie logique du micro-contrôleur et des amplificateurs).
Comment ça marche
En regardant le schéma principal, vous pouvez constater qu'il est constitué
deux blocs logiques. L'un est marqué comme « contrôle de courant » et l'autre
comme « contrôle de tension ». Ce sont deux boucles de contrôle indépendantes. Une boucle
contrôle la tension de sortie pendant que l'autre surveille la chute de
tension de la résistance de 0.275 Ohm dans la partie puissance. La
perte de tension est équivalente au courant. Les deux blocs de contrôle sont
« combinés » via les diodes D2 et D3. Ces diodes forment une porte OR
analogique. C'est-à-dire que si le courant est trop élevé, la partie
de contrôle de courant abaisse la tension jusqu'à ce qu'elle soit au-dessous de
la limite (courant suffisamment bas) et la partie de contrôle de tension est
chargée de réguler la tension en sortie.
Ce OU (OR) logique fonctionne car le transistor T3 est connecté par R19 au +5V.
S'il n'y avait pas d'amplificateurs opérationnels connectés derrière D2 et D3
vous obtiendriez le maximum de puissance de sortie. Les amplificateurs
opérationnels dans la boucle contrôlent la sortie en enlevant le +5V de T3
(il en détourne autant que nécessaire vers la masse).
La boucle de contrôle de tension asservit la tension de sortie en fonction
du niveau obtenu sur la broche 5 de IC6B. En d'autres termes, la
tension sur la broche 5 est équivalente à la sortie multipliée par le facteur
d'amplification qui est déterminé par les résistances R15, R10 et R16. La même
chose se produit pour le courant sauf qu'il s'agit de la tension sur la résistance R30
et qu'elle est équivalente au courant de sortie maximum.
De manière à obtenir le courant maximum ou à réguler la sortie de
l'alimentation, nous devons seulement fournir les tensions appropriées sur les
deux points (broche 5 d'IC6B et résistance R30). C'est ce que fait le
micro-contrôleur... mais comment peut-il générer et réguler une tension de
référence ? Regardez l'image suivante :
Ce que vous voyez sur l'image est la manière dont un signal par impulsion peut
être transformé en un signal continu. Il suffit
de le faire fonctionner au travers d'un filtre passe-bas avec une
fréquence de coupure cent fois (ou plus) inférieure à la fréquence du signal.
Comme notre micro-contrôleur fonctionne à 4 MHz, il n'est pas difficile de
concevoir un tel filtre passe-bas. Même si nous mettons en place la génération du
signal par logiciel, nous obtiendrons encore quelques kHz et le filtre sera
encore très petit.
La différence dans l'image entre les deux schémas est appelée modulation
par impulsion. En changeant la longueur de l'impulsion, nous pouvons
modifier la tension derrière le filtre.
C'est bien, non ? Nous pouvons générer une tension exacte à partir d'un signal
numérique !
Le micro-contrôleur AT90S4433 possède deux compteurs internes. L'un est de
16 bits et l'autre de 8 bits. Le compteur 16 bits peut utiliser la
modulation à largeur d'impulsion (PWM) qui existe déjà matériellement
dans le circuit AT90S4433 avec une résolution de 10 bits. Le compteur 8 bits
n'a pas cette faculté mais nous pouvons la mettre en place par logiciel. Il est encore
suffisamment rapide. Nous utilisons le compteur 16 bits pour la régulation de
tension, ce qui nous donne 10 bits = 1023 pas de résolution pour le contrôle
de tension. Le courant de sortie est contrôlé par le compteur 8 bits, ce qui
nous donne 255 pas pour contrôler 1-3000 mA. Cela signifie que nous avons une
précision de près de 12 mA (ou moins). C'est encore suffisant pour le contrôle
du courant.
Toutes les autres parties du circuit concernent l'alimentation et la
tension de référence (le 7805 est notre point de référence) et permettent de s'assurer
que l'alimentation ne devient pas instable lors de la mise sous tension ou hors
tension.
Le logiciel
Le logiciel pour le micro-contrôleur utilise beaucoup d'aspects que vous
connaissez déjà depuis les premiers articles (uart pour RS232, afficheur LCD,
compteur en mode interruption). Vous pouvez y jeter un coup d'oeil ici :
linuxdcp.c.
Le plus intéressant, est probablement le logiciel PWM (Pulse Width
Modulation). La variable ipwm_phase gère, avec ipwm_h, le PWM pour
le courant. Nous lançons simplement le compteur 8 bits en mode interruption et
à chaque fois qu'il génère un dépassement, la fonction
« SIGNAL(SIG_OVERFLOW0) » est appelée. Nous contrôlons ici ipwm_phase pour
voir si nous devons générer un 1 ou un zéro sur la sortie et nous redémarrons
le compteur de temps. Facile.
Le logiciel n'est pas du tout compliqué mais pour le comprendre
exactement, vous devez lire la documentation technique du 4433
(voyez les références).
Le 4433 est un micro-contrôleur 8 bits et ses capacités mathématiques sont
très limitées. Les fonctions divXbyY et multiXbyY gèrent les maths
24 bits, dont nous avons besoin pour calculer avec précision la largeur de l'impulsion
à partir d'une tension donnée, fournie par l'utilisateur.
Notre alimentation possède 7 boutons. 6 boutons sont disponibles pour
changer les niveaux de tension et de courant et un bouton sert à la
mise en « pause ». En utilisant le bouton « pause », vous pouvez
temporairement désactiver l'alimentation et encore changer les limites de
tension et de courant. L'état des boutons est « pulled » (relaché)
dans la boucle principale du programme. La variable ignorebutton est utilisée
pour éviter les rebonds des boutons. Lorsque vous pressez un bouton avec le doigt, il
rebondit un peu. En tant qu'être humain, nous ne le remarquez pas mais le
micro-contrôleur est si rapide qu'il verra un bouton pressé, relaché,
pressé... Le compteur ignorebutton attend un peu après la pression sur le bouton
pour éviter ce rebond.
Créer le circuit imprimé
Le circuit principal :
|
Le boîtier pour l'alimentation. Du bois pour les cotés, des feuilles
de métal pour le fond, le dessus et la face avant :
|
La face avant :
|
Le paquetage logiciel contient un fichier postscript (linuxDCpower.ps) pour
le circuit imprimé. Je trouve personnellement que les pastilles sont toujours
un peu trop petites. C'est la raison pour laquelle je recommande fortement de
les élargir un peu avec un marqueur avant de graver le circuit. Le processus
pour réaliser un circuit à la maison est décrit dans :
Mai 2002, Un panneau de contrôle LCD
pour votre serveur Linux.
Comment construire un boitier économique mais esthétique pour votre
alimentation est décrit dans l'article « Septembre 2002, Compteur de
Fréquence 1Hz-100Mhz avec afficheur LCD et interface RS232 ». Vous pouvez
voir le boîtier et la face avant que j'ai réalisés sur la droite. Cliquez sur
les images pour des images plus grandes.
Tester
Comme pour tout circuit que vous soudez, il est raisonnable de ne pas connecter
directement les éléments à l'alimentation mais de procéder par étapes. Cela
permet de détecter les erreurs faites pendant la construction du
circuit.
- Assemblez le circuit principal mais sans mettre les composants dans
leurs supports.
- Prenez une batterie de 9V et connectez le plus à la broche 2 et le
moins à la broche 1 du connecteur marqué AC_POWER sur le schéma.
Utilisez un voltmètre et vérifiez que vous avez du +5V sur le max232 entre les
broches 8 et 16 et sur les broches 7 et 8 du micro-contrôleur. Sur les
amplificateurs opérationnels, vous devez avoir presque 9V sur la broche d'alimentation
positive.
- Branchez maintenant la batterie 9V (broche 1 au plus et broche 2
au moins) et vérifiez que vous avez -9V sur les broches d'alimentation
négatives des amplificateurs opérationnels.
- Si tous les tests sont passés jusque là, alors
l'alimentation de la carte principale fonctionne et il n'est plus risqué
d'insérer le max 232 et le micro-contrôleur dans leurs supports.
- Utilisez encore la batterie de 9V et connectez-la de manière à
ce que le +5V fonctionne (voir ci-dessus). Connectez le câble du
programmateur au port parallèle et au connecteur pour programmer le circuit.
Décompressez le logiciel (pour le téléchargement, voyez le chapitre des
références), « cd » dans le répertoire qui est créé et tapez :
make avr_led_lcd_test.hex
make testload
make ttydevinit
Le logiciel de test doit maintenant être chargé dans la carte. Sur
l'afficheur du LCD, vous devez voir « hello », la LED rouge doit clignoter et
si vous connectez votre ordinateur à la rs232, vous devriez voir s'afficher « ok »
(initialisez la ligne RS232 avec ttydevinit, puis tapez
cat /dev/ttyS0 ou cat /dev/ttyS1 pour COM2).
- Assemblez maintenant la partie alimentation mais ne connectez pas encore
le transformateur principal. Connectez plutôt la batterie de 9V aux câbles où
le transformateur sera connecté. Quel que soit le sens de connection de la
batterie, le condensateur de 4700uF doit toujours être chargé autour de 9V. Contrôlez-le
avec un voltmètre.
- Lorsque la dernière étape de test est passée, faites un contrôle
final des fils et connectez ensuite tous les transformateurs et alimentez
le tout. Sans amplificateurs opérationnels dans leurs supports, vous devriez
obtenir la valeur maximum de tension de sortie. Mesurez-la en faisant
attention de ne pas créer de court circuit sinon vous grilleriez les
transistors puisqu'il n'y a pas encore de limitation de courant.
- Débranchez, insérez les amplificateurs
opérationnels et reconnectez le câble du programmateur, mettez sous tension et
tapez :
make
make load
- L'alimentation doit être maintenant pleinement fonctionnelle. Notez
que pendant que le câble du programmateur est encore connecté, la sortie est
toujours désactivée. Débranchez-le pour avoir la bonne tension et le bon courant
en sortie.
Et voici notre propre alimentation
Vous avez vu que nous avions trois options disponibles en fonction du
transformateur utilisé. Le logiciel est par défaut pour une
tension de sortie de 16V, 2.2A. Pour le modifier, éditez le
fichier linuxdcp.c
et recherchez :
MAX_U, IMINSTEP, MAX_I, et dans la fonction set_i, vous devez changer la
calibration si vous avez une sortie de 3A maximum. Le code est bien commenté
et vous verrez ce que vous devez changer.
Enfin, voici quelques images de l'alimentation telle que je l'ai
fabriquée. Cela représente du travail mais c'est vraiment une alimentation
très bonne et très robuste. Le temps investi est rentable car une alimentation
de laboratoire est réellement une des choses les plus utilisées.
Utilisation de l'alimentation
La manière d'utiliser l'alimentation est à peu près évidente. Vous avez 4
boutons pour définir la tension de sortie. 2 boutons pour augmenter/diminuer
de 1V et 2 boutons pour augmenter/diminuer de 0.1V. La limitation de courant
peut être aussi définie par deux boutons. Mais ici, l'échelonnage n'est
pas linéaire. Pour des valeurs plus petites, vous pouvez incrémenter ou
décrémenter par pas de 50mA. Pour des valeurs supérieures à 200mA, vous avez
des pas de 100mA et de 200mA au-dessus de 1A. De cette manière, il est facile
de parcourir l'échelle complète avec seulement deux boutons.
Le bouton attente peut être utilisé pour désactiver temporairement
l'alimentation sans avoir besoin de redéfinir les valeurs lors du retour sous
tension.
La LED rouge s'allumera lorsque vous atteindrez la limite du courant et
elle clignotera en mode attente.
L'alimentation peut aussi être totalement contrôlée par des commandes
ASCII via la ligne série RS232. Les commandes suivantes sont disponibles :
u=X définit la tension (i.e. u=105 fixe la
tension à 10.5V)
i=Xmax détermine le courant maximum (i.e. i=500 définit la limite de
courant à 500mA)
s=1 ou s=0 met en mode attente
u=? ou i=? ou s=? affiche les valeurs actuelles. Par exemple :
u: 50 s:0 i: 100 l:0
u: signifie tension = 50 = 5V, s:0 signifie mode attente désactivé, i: 100
représente 100mA et l:0 signifie que la limite de courant n'a pas été atteinte.
En utilisant ce langage de commande ASCII, vous pouvez aussi écrire une
interface de commande graphique pour l'alimentation. Pour utiliser la ligne
RS232, vous devez d'abord l'initialiser par la commande ttydevinit,
qui est incluse dans le paquetage logiciel. Tout ceci est décrit dans l'article de
Septembre 2002, Compteur de fréquence.
Comme vous l'avez vu dans le schéma au-dessus, nous utilisons deux
transformateurs et le plan de masse de la logique de contrôle est connecté à
la sortie positive. Les deux transformateurs séparent les tensions et il n'y a
normalement pas de problème avec ce procédé. Nous devons établir les
connexions de cette manière pour avoir la bonne polarité sur la boucle de retour
des amplificateurs opérationnels.
Un mot d'avertissement : Cette installation signifie aussi que la ligne de
terre de la ligne RS232 est connectée à la sortie positive ! En d'autres termes,
vous ne pouvez pas utiliser la ligne RS232 si vous utilisez l'alimentation
avec des éléments qui sont connectés par ailleurs à la masse de votre
ordinateur. Il pourrait être judicieux de mettre une étiquette sur le
boîtier de l'alimentation indiquant « la ligne de masse de la connexion RS232
est connectée à la sortie positive ».
Si vous voulez vous assurer qu'il n'y a pas de possibilités de court circuit avec les
fils de masse de la RS232, utilisez alors une batterie de portable ou vérifiez
que le circuit alimenté ne possède pas d'autres connexions ou n'utilise pas
l'interface de commande RS232. Ne soyez pas trop inquiets de cette mise en garde.
Si vous ne dépassez pas 250mA sur l'alimentation, la LED rouge vous
indiquera que vous avez fait une erreur et qu'il n'y pas de danger pour votre
ordinateur même si vous avez fait quelque chose de stupide.
Sécurité
Ce circuit contient un transformateur qui est connecté à l'alimentation
principale (230V ou 110V en fonction de votre pays). Veuillez vous assurez
d'une bonne isolation. Si vous n'avez jamais travaillé avec des
alimentations alors demandez à des personnes expérimentées de contrôler votre
circuit pour ce qui concerne l'isolation et la sécurité avant de brancher
pour la première fois.
Ajustement
Le logiciel pour l'alimentation est déjà calibré. Dans la plupart des cas,
il n'y aura rien à modifier.
Le matériel concerné par la calibration dépend seulement des 7805,
R15, R10, R16 et R38, R30, R26. Seuls ces composants influencent la tension et
les niveaux de courant. Si vous voulez faire un ajustement plus fin, vous
pouvez soit changer ces résistances, soit modifier le logiciel. Notez qu'un
câble de programmateur connecté influence la sortie. Avant de faire
des mesures, vous devez déconnecter le câble. Dans le logiciel, vous pouvez
faire des modifications dans les fonctions set_u et set_i. Ceci est commenté
dans le code de linuxdcp.c
Références