Každé domáce laboratorium , alebo dieľna nevyhnutne potrebuje na realizáciu a testovanie prototypov a vlastných projektov, alebo pri opravách , zdroj s možnosťou nastavovania veľkosti napätia a prúdu. Samozrejme takéto zariadenia sú bežne dostupné ku kúpe v obchodoch s elektronickými súčiastkami a meracími prístrojmi.
Predložený návrh laboratórneho zdroja sa trochu odlišuje od bežných konceptov takýchto zariadení. Väčšina amatérskych projektov sa sústreďuje na realizáciu klasického prístupu, teda transformátor , usmerňovač, filter, regulátor, meranie výstupných hodnôt, nehľadiac na to či sa jedná o klasické analógové obvody, či spínané zdroje.
Zdanlivo triviálna úloha dá zabrať aj skúsenému návrhárovi. Návrhár musí riešiť problémy s odvádzaním tepla, presnosťou merania hodnôt , v prípade analógových zdrojov je obmedzujúcim faktorom rozmer a hmotnosť transformátora, ako aj maximálne požadované hodnoty. Spínané zdroje významne redukujú rozmerové a výkonové obmedzenia, ale pribúdajú problémy s rozsahom regulácie, rušením do napájaných obvodov, či do siete. Navrhnutý laboratórny zdroj tieto problémy obchádza použitím profesionálnych hotových napájacích blokov,za prijateľnú cenu.
Bežne dostupné laboratórne zdroje majú výstupné napätie do 30V a výstupný prúd niekoľko ampér, teda výkon niekoľko sto watov. Sám vlastním takýto zdroj, ale občas potreba väčšieho rozsahu výstupného napätia a najmä prúdu (napríklad pri experimentoch s eloxovaním, či indukčným ohrevom) , ma priviedli k realizácii tohto zdroja. 
vstupné požiadavky:
dva nezávislé izolované výstupy
rozsah výstupného napätia 0 - 50V
rozsah výstupného prúdu 0 -20A
čo najvačší výstupný výkon
nízka hladina rušenia na obidve strany
čo najlepšia presnosť merania
jednoduché ovldanie
prijateľná cena
Vychádzajúc zo zvoleneého konceptu som vybral nasledovné kľúčové komponenty:
zdroj MS-1500-72 , RIDEN RD-1500-68 , alebo iný podobný vhodný typ
XY6020L DIY Laboratorny zdroj 20A 1200W
Celková schéma zapojenia je na nasledujúcom obrázku:
Základom tohto laboratórneho zdroja je modul XY-6020L, čo je spínaný zdroj typu "step down". Medzi základné charakteristiky patrí presnosť výstupného napätia a prúdu pod 1%, zvlnenie na výstupe do 100mV a výkon 1200W. prepäťové , naprúdové a ochrany proti prehriatiu netreba ani spomínať. Modul zdroja XY6020L sa dá ovládať pomocou konektormi projeného ovládacieho modulu s LCD displejom, alebo cez sériovú zbernicu Modbus. Ja som zvolil ovládanie cez modbus. Z horeuvedeného obrázku schémy zapojenia je zrejmé, že privod 230V je cez konektor X1. Za ním je poistka F1, chrániaca celé zariadenie pred prúdovým preťažením v prípade poruchy zdrojov. PWR1 a PWR2 zabezpečujú AC/DC prevod zo striedavých 230V na 64V jednosmerných (výstupné napätie je nastavené trimrom v zdroji). Nastavené výstupné napätie týchto zdrojov musí byť menšie ako 65V inak moduly PWR4, PWR5 ( XY6020L ) prejdú do blokovaného stavu z dôvodu prepätia na svojom vstupe. Moduly PWR4, PWR5 sú stepdown meniče zaisťujúce požadované hodnoty napätia a prúdu na výstupných svorkách X4-X7. Požadované hodnoty napätia a prúdu sa zadávajú cez dotykový HMI display ER-DIS08050H. Časové relé XT1 slúži na oneskorené pripojenie PWR1 k sieti 230V po zapnutí hlavného vypínača SW1, aby sa zabránilo vzniku nadprúdu z prechodového javu nabíjania kondenzátorov zdrojov pri zapnutí. PWR3 je zdroj +5V pre napájanie displeja a pomocných riadiacich obvodov. PWR6 je modul indukčného ohrevu ZVS1000 , ktorý som zabudoval do skrinky popisovaného laboratórneho zdroja. Spínač SW2 pripojí napájanie zo zdroja PWR5 na vstup indukčného modulu. Výstup vysokofrekvenčného modulu PWR6 je vyvedený na svorky X8 a X9, ako aj na piny konektora X3, ktorý musí vydržať prúdové zaťaženie najmenej 20A. Spínač SW3 slúži na aktiváciu výstupu druhého zdroja , ktorý napája indukčný modul a to po dobu, pokým je stlačený. Dôležitou časťou laboratórneho zdroja je obvod modbus adaptéra, ktorý zabezpečuje galvanické oddelenie sériových liniek , cez ktoré sa ovládajú zdrojové modulu XY6020 a sprostredkováva komunikáciu s HMI displejom pre zadávanie a zobrazovanie požadovaných hodnôt .
Vstupno- výstupný modul HMI (human machine interface) LCD displeja ER-DIS0705H je postavený na báze mikroprocesora ESP32, ale obmedzený počet a typ IO rozhraní vyžadoval nájsť riešenie pre komunikáciu s modbus. Dalo by sa nájsť riešenie s modulom dipleja, ktorý obsahuje viacero sériových liniek, ale tu je limitujúcim faktorom cena, tekéto zariadenie stojí viac ako nekoľko stoviek Eur a zostal by problém s galvanickým oddelením zdrojov. Rozhodol som sa použiť vývojový modul ESP32S3-N8R8 od firmy Waweshare, za pár eur. Voľba padla na tento modul , lebo doska displeja obsahuje ten istý mikroprocesor ESP32-S3 , čo mi umožnílo použiť časť programových knižníc spoločných. Obvod modbus adaptéra je napájaný z 5V zdroja PWR5. Sériové linky rozhrania modbus modulov zdroja XY6020 (PWR4 a PWR5) sú privedené na konektory X2 a X3 modbus adaptéra. Integrované obvody ¶122M30 zabezpečujú galvanické oddelenie sériových liniek, aby výstupné napätia zdrojov mali nezávilý potenciál a mohli sa kombinovať do série , čo umožní dosiahnuť stabilizované výstupné napätie až 120V pri maximálnom výstupnom prúde 20A .
Mikropočítač U1 zabezpečuje komunikáciu protokolom modbus so zdrojmi XY6020 a cez WiFi protokolom TCP komunikuje s HMI displejom , ktorý je tiež osadený mikroprocesorom ESP32. Použité kondenzátory majú filtračnú funkciu a rezistor R1 má hodnotu 0 Ohm a použil som ho iba kôli zjenodušeniu DPS, tak aby mohla byť realizovaná ako jednostranná. DPS má rozmery 100mm x 50mm. Motív plošného spoja a osadenie súčiastok je na nasledujúcom obrázku:
Vzhľadom k tomu, že prevažná časť hardware je zostavená z hotových modulov, najväčší podiel úsilia muselo byť venované programovému vybaveniu. Obslužné programy sú napísané v jazyku Micropython, čo je programovací jazyk python optimalizovaný pre použitie na embedded systémoch s limitovanými zdrojmi. Komikácia medzi displejom a doskou s modbus interface prebieha cez wifi pomocou TCP protokolu. Doska dipsleja je v režime klienta a doska modbus inface je v režime AP. Všetky potrebné programy je možné stiahnúť v sekcii NA STIAHNUTIE. Na strane AP-čka je hlavným programom main_AP.py. Do boot.py je potrebné doplniť riadok:
Ovládacia obrazovka vyzerá takto:
Obrazovka zobrazuje štyri digitálne dipleje pre zobrazenie aktuálneho napätia a prúdu každého zdroja. Priloženie prsta na kapacitnú obrazovku v mieste zobrazovanej hodnoty napätia, alebo prúdu, vyvolá zobrazenie numerickej klávesnice na obrazovke pre zadanie požadovanej hodnoty. Zadávanie vstupných hodnôt sa ukončí stlačením klávesy "enter" na klávesnici, alebo zadaním štyroch znakov, podľa toho čo nastane skôr. Zadávajú sa hodnoty z ľava do prava, ak je zadané menej ako 4 znaky, dolnia sa nuly. Napríklad 0+5+"enter" znamen 05.00 voltov , alebo ampér. Počet desatinných miest je pevný nastavený na 2. Pri zobrazovaní výstupných hodnôt zdroja sa úvodná nula potláča. Pod údajom napätia a prúdu sa zobrazuje žiadaná hodnota (na tomto ilustračnom obrázku modrou farbou ). Pod tým sa nachádzajú tlačidlá pre štart a stop každého zdroja a v strede je tlačidlo pre vyvolanie informačnej obrazovky, kde sa zobrazujú údaje o firmaware, vstupnom napätí zdrojov XY6020, teplote zdrojov a iné.
Najvrchnejší riadok je vyhradený indikácií stavu. V ľavej časti za názvom status je zobrazené OK ako je všetko v poriadku, alebo červené x ak nastane nejaká chyba. Ikony v ľavej časti statoveho riadku signalizujú prebiehajúcu aktivitu, alebo zdroj chyby.
Ikony z ľava do prava signalizujú zmenou farby a akustickým signálom, chybu na modbus zbernici zdrojov, chybu na TCP spojení klienta a servera, chybu wifi spojenia. Ikona trojuholníka s výkričníkom signalizuje oranžovou farbou prehriatie modulu XY6020 a posledná ikona blikaním signalizuje načítavanie veľkých fontov počas bootovania.