Sursă dublă de tensiune, reglabilă în domeniul [627872]

Universitatea “Politehnica” București
Facultatea de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației

2017

Sursă dublă de tensiune, reglabilă în domeniul
2 x 0 -50V, controlată prin microcontrolerul MSP 430

Proiect de diplomă

Prezentat ca cerință parțială pentru obținerea titlului de
Inginer în domeniul Electronică și Telecomunicații
Programul de studii de licență Electronică Aplicată

Conducător științific Absolvent: [anonimizat]. Andrei DRUMEA Răzvan CĂPLESCU

2 Pagină lăsată liber intenționat.

3 ANEXA 1
(Scanată și semnată)

4 Pagină lăsată liber intenționat

5
DECLARAȚIE DE ONESTITATE ACADEMICĂ
(Anexa 5 semnat ă + scanată)

6 Pagină lăsată liber intenționat

7 CUPRINS
Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 13
1. Capitolul 1 : SCHEMA BLOC A CIRCUITULUI ………………………….. ……………………….. 15
2. Capitolul 2 : ALIMENTAREA CIRCUITULUI ………………………….. ………………………….. . 17
2.1 TRANSFORMATORUL ………………………….. ………………………….. ……………………….. 18
2.2 PUNTEA REDRESOARE ………………………….. ………………………….. ……………………… 19
2.3 STABILIZATOR DE TENSIUNE +5V ………………………….. ………………………….. …… 21
2.4 STABILIZATOR DE TENSIUNE +3.3V ………………………….. ………………………….. … 22
3. Capitolul 3 : CONTROLUL DIGITAL Ă ………………………….. ………………………….. ………… 25
3.1 MICROCONTROLERUL MSP430G2553 ………………………….. ………………………….. . 26
3.2 INTERFAȚA DE COMUNICARE SERIALĂ – SPI ………………………….. …………….. 31
3.3 CONVERTORUL DIGITAL ANALOGIC – MCP4821 ………………………….. ………… 32
4. Capitolul 4 : STABILIZATORUL LINIAR DE TENSIUNE ………………………….. …………. 37
4.1 SIMULAREA CIRCUITULUI ANALOGIC ………………………….. ………………………… 41
5. CAPITOLUL 5 INTERFAȚA CU UTILIZATORUL ………………………….. …………………… 45
5.1 REGLAREA PARAMETRILOR PRIN INTERMEDIUL BUTOANELOR DE TIP
„PUSH -BUTTON” ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 45
5.2 DISPLAY -UL LCD AL SURSEI DE TENSIUNE ………………………….. ………………… 46
5.3 MOD DE UTILIZARE A SURSEI DE TENSIUNE ………………………….. ………………. 48

8 Pagină lăsată liber intenționat

9 LISTĂ FIGURI
Figura 1.1 Schema bloc a circuitului ………………………….. ………………………….. …………………….. 15
Figura 2.1 Circuitul de alimentare pentru sursa de tensiune 1 ………………………….. ……………….. 17
Figura 2.2 Circuitul de alimentare pentru sursa de tensiune 2 ………………………….. ……………….. 17
Figura 2.3 Transformator toroidal ………………………….. ………………………….. …………………………. 18
Figura 2.4 Redresor dublă alternanță [2] ………………………….. ………………………….. ……………….. 19
Figura 2.5 Schema echivalentă a unui redresor dublă alternanță [2] ………………………….. ………. 19
Figura 2.6 Puntea redresoare 2KBP02M ………………………….. ………………………….. ……………….. 20
Figura 2.7 Tensiunea de intrare(culoare mov) – Tensiunea redresată (culoare verde) …………… 20
Figura 2.8 Circuit de filtrare și redresare ………………………….. ………………………….. ……………….. 20
Figura 2.9 Stabilizator d e tensiune +5V ………………………….. ………………………….. …………………. 21
Figura 2.10 Caracteristica de ieșire a stabilizatorului de tensiune LM2936HV ……………………. 22
Figura 2.11 Stabilizatorul de tensiune +3.3V ………………………….. ………………………….. …………. 22
Figura 3.1 Schema simplificată a unui microcontroler [5] ………………………….. ……………………. 25
Figura 3.2 Arhitectura von -Neumann pentru microcontrolerul MSP430G2553 …………………… 27
Figura 3.3 Microcontrol erul MSP430G2553 ………………………….. ………………………….. ………….. 28
Figura 3.4 Oscilator extern AB38T ………………………….. ………………………….. ……………………….. 28
Figura 3.5 Circuitul de RESET ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 29
Figura 3.6 Implementare comunicație serială de tipul master -multi slave ………………………….. . 31
Figura 3.7 Transfer de date prin magistrala SPI ………………………….. ………………………….. ……… 32
Figura 3.8 DAC pentru ramura 1 a sursei de tensiune ………………………….. ………………………….. 32
Figura 3.9 Schema DAC -ului plasat pe ramura 2 a sursei de tensiune ………………………….. ……. 34
Figura 3.10 Implementare optocuploare ………………………….. ………………………….. ………………… 34
Figura 3.11 Schema de principiu a unui optocuplor ………………………….. ………………………….. … 35
Figura 3.12 Tranzistor cu rol de inversor ………………………….. ………………………….. ……………….. 35
Figura 4.1Circuitul analogic pentru ramura 1, cu referința GND ………………………….. …………… 38
Figura 4.2 Circuitul analogic pentru ramura 2, cu referința GGND ………………………….. ……….. 38
Figura 4.3 Conexiune Darlington [10] ………………………….. ………………………….. …………………… 39
Figura 4.4 Determinarea curentului de ieșire pe ramura 1 ………………………….. …………………….. 40
Figura 4.5 Schema circuitului analogic simulat în PSpice ………………………….. …………………….. 41
Figura 4.6 Simulări PSpice V2=0.3V ………………………….. ………………………….. ……………………. 42
Figura 4.7 Simulări PSpice V2 = 1.5V ………………………….. ………………………….. ………………….. 42
Figura 4.8 Simulări PSpiceV2=2.5V ………………………….. ………………………….. …………………….. 42
Figura 5.1 Buton de tip Push Button ………………………….. ………………………….. ……………………… 45
Figura 5.2 Implementarea circuitului de reglare a parametrilor de ieșire ………………………….. … 45
Figura 5.3 Aranjarea pixelilor într -un ecra n LCD [11] ………………………….. …………………………. 46
Figura 5.4 Implementare circuit LCD ………………………….. ………………………….. ……………………. 47
Figura 5.5 Selecția ramurii de ieșire ………………………….. ………………………….. ……………………… 48
Figura 5.6 Implementare ecran LCD pe cablajul imprimat ………………………….. …………………… 49
Figura 6.1 Layout TOP Side ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 52
Figura 6.2 Layout BOTTOM Side ………………………….. ………………………….. ………………………… 53

10 Pagină lăsată liber intenționat

11 LISTĂ ACRONIME

VIN – Tensiune de intrare
VOUT – Tensiunea de ieșire
VR – Tensiunea de ieșire a regulatorului MCP1700T
DIP – Dual in -line package
Dispozitive I /O – Dispozitive intrare/ieșire
Convertoare A/D și D/A – convertoare analo g digitale sau digital analogice
CISC – Complex Instruction Set Computer
RISC – Reduced Instruction Set Computer
TSSOP

12
Pagină lăsată liber intenționat

13 Introducere

14 Pagină lăsată liber intenționat

15 1. Capitolul 1 : SCHEMA BLOC A CIRCUITULUI

Circuitul este alcătuit din următoarele blocuri:

Blocul de intr are este format din tr-un transformator toroidal cu secundar dublu, punți redresoare,
condensatoare electrolitice pentru filtrarea tensiunii și două regulatoare de tensiune pentru obținerea
tensiunilor de alimen tare a tuturor componentelor ce alcătuiesc proiectul .
După ce este re dresată și filtrată, noua tensiune de alimentare este folosită atât pentru alimentarea
părții analogice a circuitului cât și pentru alimentarea regulatorului de tensiune LM2936. Acest
integratul de la Texas Instruments va genera la ieșire o tensiune de +5V ce va fi folosită pentru
alimentarea celor două convertoare digital -analogice (MCP4821) .
Deoarece microcontrolerul MSP430G2553 suportă o tensiune de alimentare cuprinsă între 1.8V
și 3.6V, a fost necesar ă folosirea unui al doilea regulator de tensiune, de la +5V la +3V3. Această
operațiune este realizată cu integratul MCP1700T de la Microchip . Figura 1.1 Schema bloc a circuitului
BLOC DE
CONTROL
DIGITAL
BLOC
ANALOGIC
DE PUTERE
BLOC DE
INTRARE
BLOC DE
IEȘIRE
BLOC DE
CONTROL ȘI
AFIȘAJ
BLOC
ANALOGIC
DE PUTERE
BLOC DE
IEȘIRE
RAMURA 1 a sursei de tensiune
RAMURA 2 a sursei de tensiune
TENSIUNEA 1
DE IEȘIRE

TENSIUNEA 2
DE IEȘIRE

16 De asemenea toate butoanele de control ce vor fi folosite de către utilizator pentru controlul sursei
sunt alimentate la tensiunea continuă de +3V3.
Blocul analogic de putere pentru fiecare din cele două ieșiri ale sursei de tensiune, este alcătuit
din două tranzistoare de putere BD243C co nectate în conexiune Darlington, pentru a se obținere o
amplificare mai mare.
Semnalul ce comandă ieșirea acestui bloc este generat de convertorul digital analogic MCP4821
și este conectat în baza unui tranzistor de putere mică. Acest semnal de comandă va putea fi setat
ulterior de către utilizator prin intermediul butoanelor de con trol plasate pe marginea plăcii.
Blocul de control digital este realizat din convertoarele digital analogice, MCP4821, ce sunt
conectate la microcontrolerul principal , ce face parte din familia MSP430 de la Texas Instruments,
printr -o magistrală SPI . Astfe l se realizează o conexiune rapidă între microcontroler și cele două
integrate, prin principiul master -slave.
În acest mod, puntea de legătură între partea analogică de putere și cea digitală este realizată de
către cele două convertoare digital analogice , MCP4821.
Blocul de control și afișaj reprezintă interfața cu utilizatorul. Acesta conține un display LCD
pentru observarea tensiun ilor și curenților înregistrate la ieșire , cât și butoanele din care se vor
comanda cele două surse de tensiune.

17 2. Capitolul 2 : ALIMENTAREA CIRCUITULUI

Alimentarea cablajului se efectuează prin intermediul unui transformator toroidal (prezentat în
secțiunea 2.1 TRANSFORMATORUL ), care aduce tensiunea alternativă de 230V de pe primar la
nivelu l de 40V pe ambele secundare .
Pentru a păstra cele două ieșiri ale sursei de tensiune independente, avem nevoie de un
transformator cu secundar dublu și două circuite analogice de putere cu referințe diferite.

Figura 2.1 Circuitul de alimentare pentru sursa de tensiune 1
În Figura 2.1 se poate observa cum tensiunea provenită de la transformator este redresată prin
intermediul punții redresoare (prezentată în Figura 2.6) și cu ajutorul condensatoarelor electrolitice
noua tensiune obținută este filtrată. În acest mod se obține o tensiune de ieșire constantă.
Același principiu este folosit și pentru cea de a doua intrare a sursei de tensiune, dar este folosit
un alt plan de masă drept referință . Acest lucru se poate observa în Figura 2.2 .

Figura 2.2 Circuitul de alime ntare pentru sursa de tensiune 2

18 2.1 TRANSFORMATORUL

Transformatoarele toroidale de joasă tensiune și frecvență , se construiesc în general pentru
tensiuni pe înfășurarea primară de 230V sau 400V cu scopul principal de a modifica parametrii
energiei electrice astfel încât consum atorul să fie alimentat cu o tensiune alternativă optimă.
Transformatorul toroidal funcționează pe principiul legii inductanței electromagnetice, astfel
tensiunea electromotoare care apare la bornele unei bobine cu miez feromagnetic este egală numeric
cu viteza de variație în timp a fluxului magnetic care se închide prin circuitul feromagnetic al bobinei.
𝐸= −𝑑𝜃
𝑑𝑡
E reprezintă tensiunea electromotoare și dθ/dt este fluxul magnetic variabil prin miezul
feromagnetic al bobinei.
Astfel un transformator trebuie să aibă minim două înfășurători. Dacă aplicăm pe înfășurarea
primară o tensiune, la bornele înfășurării secundare regăsim o nouă tensiune defazată cu 180 de grade
față de tensiunea de pe primar și cu 90 de grade față de fluxul magnetic. [1]
În caz ul de față pentru a obține la ieșirile celor două surse valoarea maximă de 50V, ne este
necesar un transformator coborâtor de tensiune, de la 230V pe înfășurarea primară la 40V pe
secundar. Astfel am ales modelul TTS150/Z230/40 -40V.
Avantajele acestui mo del sunt dimensiunile reduse cât și posibilitatea generării unui curent de
1.8A, suficient pentru condițiile impuse, 1A.

Figura 2.3 Transformator toroidal
Tensiunea de pe cele două secundare ale transformatorului este în continuare alternativă. Pentru
funcționarea corectă a tuturor componentelor , avem nevoie de o tensiune continuă și constantă.
Prin urmare este necesar folosirea unei punți redresoare pentru ambele intrări ale sursei duble .
Deoarece dorim ca cele două ieșiri ale sursei de tensiune să fie independente, fiecare punte redresoare
va avea o referință proprie . Planul GGND este ales ca plan de referință pentru cea de -a doua ieșire a
sursei de tensiu ne.

19 2.2 PUNTEA REDRESOARE

Schema generală a unei punți redresoare este prezentată în Figura 2.4 .

Figura 2.4 Redresor dublă alternanță [2]
Principiul redresării constă în comutarea căii de curgere a curentului , astfel încât chiar dac ă la
intrare curentul circulă în ambele sensuri, la ieșirea redresorului va circula doar într -un singur sens.
Deoarece sunt capabile să conducă numai într -un singur sens , diodele ce alcătuiesc puntea
redresoare sesizează a utomat momentul schimbării sensului tensiunii alternative și simultan comută
calea de curent, blocând sau intrând în conducție.
Funcționarea redresorului dublă alternanță este urm ătoarea :

• În semialternanța pozitivă a tensiunii de intrare conduc diodele D2 și D4 iar D 1 și D3
sunt blocate;
• În semialternanța negativă a tensiunii de intrare conduc diodele D 1 și D3 conduc iar D 2
și D4 sunt blocate

Figura 2.5 Schema echivalentă a unui redresor dublă alternanț ă [2]
a)pe durata semialternanței pozitive b)pe durata semialternanței negative
În cazul acestei aplicații am ales puntea redresoare din seria 2KB02M de la producătorul
Multicomp. Aceasta vine într -o carcasă de tip DIP, cu patru pini. Doi dintre aceștia r eprezintă intrările
tensiunii alternative provenite de la transformator, iar pe ceilalți doi pini se va regăsi tensiunea
redresată.
Acest model suportă o tensiune maximă de intrare de 140V și un curent de 2A.

20
Figura 2.6 Puntea redresoare 2KBP02M
În practică folosirea doar a celor patru diode conectate în punte nu este suficientă. Acest lucru
asigură obținerea unei tensiuni redresate cu valori de o singură polaritate .

Figura 2.7 Tensiunea de intrare(culoare mov) – Tensiunea redresată (culoare verde)
Chiar dacă am obținut o tensiune pozitivă, pentru funcționarea corectă a componentelor, aceasta
trebuie să fie și constantă, fără variații mari în timp.
Astfe l, avem nevoie de un condensator capabil să înmagazin eze sarcină electrică cât timp diodele
se află în conducție și să elimine uniform sarcina salvată pe durata blocării diodelor.
Implementarea acestei soluții se regăsește în Figura 2.8 Circuit de filtrare și redresare .

Figura 2.8 Circuit de filtrare și redresare

21 Cum viteza de variație a tensiunii pe condensator este constantă, tensiunea se dezvoltă practic
după o linie dreaptă. Condensatorul nu se descarcă complet până la începerea noii alternanțe pozitive,
așa că dioda nu se deschide decât atunci când tensiunea de pe secundar, care crește sinusoidal, este
mai mare decât tensiunea de pe condensator, care scade.
După deschidere, dioda conduce din nou până când sinusoida ajunge la valoarea maximă,
asigurând condensatorului o nouă rezervă de sarcină electrică. Din ac est moment dioda se blochează
și procesul se repetă periodic. [3]
Pentru o c ât mai bună stabilitate a tensiunii se folosesc condensatoare electrolitice de capacități
mari, ce pot înmagazina o sarcină electrică foarte mare. În cazul acestui proiect, pentru a asigura o
variație în timp cât mai mică a tensiunii de alimentare a tuturo r componentelor am ales patru
condensatori electrolitici de 1000uF/50V pentru fiecare tensiune de alimentare. Atât pentru
secundarul 1( Figura 2.1 Circuitul de alimentare pentru sursa de tensiune 1 ), cât și pentru secundarul
2 (Figura 2.2 Circuitul de alime ntare pentru sursa de tensiune 2 ).

2.3 STABILIZATOR DE TENSIUNE +5V

La ieșirea condensatoarele de decuplare am obținut o tensiune continuă de aproximativ +40V.
Pentru funcțio narea circuitelor din Blocul de control digital (Figura 1.1 Schema bloc a circuitului )
această tensiune trebuie coborâtă atât la +5V cât și la +3.3V.
Această operați e este realizată în primă fază de către stabilizatoarele de tensiune LM2936 HV care
aduc tensiunile de intrare redresate la valoarea de +5V și +5Vcc . Schema circuitului este prezentată
în Figura 2.9 Stabilizator de tensiune +5V

Figura 2.9 Stabilizator de tensiune +5V
Am optat pentru f olosirea a două stabilizatoare de tensiune pentru a menține în continuare
indepen dența celor două ieșiri ale sursei de tensiune. Astfel cele două stabilizatoare au o tensiune de
ieșire de aceeași valoare dar cu referințe diferite. Tensiunea de +5V sunt folosit ă mai departe pentru
alimentarea convertorului digital analogice prezentat în Figura 3.8, în timp ce tensiunea +5Vcc
alimentează convertorul din Figura 3.9 .
Stabi lizatorul de tensiune ales, LM2936HV este produs de către Texas Instruments și suportă o
tensiune de intrare de maxim 60V . Modul de funcționare al stabilizatorului de tensiune este următorul:
tensiunea de ieșire va fi de aceeași valoare cu tensiunea de intrare până când tensiunea de intrare este
mai mare decât V OUT+1 Volți. După ce V IN depășește pragul de V OUT+1, ieșirea integ ratului se va
stabiliza și va deveni liniară. Cu toate acestea, pentru cele mai bune performanțe, este recomandat ca
tensiunea de ieșire să depășească cu cel puțin 2V tensiunea de intrare. Caracteristica de ieșire a

22 integratului este prezentată în Figura 2.10 Caracteristica de ieșire a stabilizatorului de tensiune
LM2936HV

Figura 2.10 Caracteristica de ieșire a stabilizatorului de tensiune LM2936HV

Pentru o stabilitate mai bună a tensiunii de ieșire, a fost necesar plasarea cât mai aproape de pinii
de ieșire a unui capacitor de 10µF.
De asemenea pentru a funcționa în permanență, pinul 5 al integratului, pinul de ShutDown a
trebuit legat la GND, respectiv GGND pentru a avea un potențial mai mic de 0.6V.

2.4 STABILIZATOR DE TENSIUNE +3.3V

Tensiunea maximă de alimentare a microcontrolerului MSP430 este de +3.6V, astfel a fost
necesară folosirea unui regulator de tensiune care să aducă tensiunea de la +5V la +3.3V.
În acest fel, la ieșirea unuia dintre stabilizatoarele de tensiune LM2936HV am conectat intrarea
stabilizatorului MCP1700T. Prin această conectare, integratului MCP1700T va avea aceeași referință
cu microcontrolerul MSP430 (Figura 3.3 Microcontrolerul MSP430G2553 ) cât și cu regulatorul de
tensiune LM2936HV cu care este conectat. Conectarea celor două integrate este prezentată în Figura
2.11 Stabilizatorul de tensiune +3.3V .

23 Figura 2.11 Stabilizatorul de tensiune +3.3V

Pentru obținerea tensiunii de ieșire liniare, tensiunea de intrare minimă t rebuie să îndeplinească
două condiții :
• VIN ≥2.3V
• VIN≥(V R+3.0 %) + V DROPOUT

În această situație , VR este de 3.3V, reprezentând ieșirea regulatorului de tensiune, iar VDROPOUT
este cuprins între 178 mV și 350mV.
Astfel cum VIN =5V, ambele condiții sunt respectate.
Pentru obținerea unei tensiuni de ieșire liniară, au fost folosiți 2 condensatori ceramici de 10uF
respectiv 100nF.

24

25 3. Capitolul 3 : CONTROLUL DIGITAL Ă

În sens larg un micro controler este o structură electronică destina tă controlului unui pr oces sau
în general, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară intervenția factorului
uman.
Utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducere a costurilor, dimensiunilor,
consumului și o îmbunătățire a fiabili tății. Cum procesul de miniaturizare continuă, la momentul
actual majoritatea componentelor necesare realizării unei astfel de structuri pot fi integrate într -o
singură capsulă. În acest mod un microcontroler poate fi caracterizat ca fiind o soluție a unei probleme
realizată dintr -un singur circuit.[6]
Reprezentarea simplificată a unui microcontroler este prez entată în Figura 3.1 Schema
simplificată a unui microcontroler Figura 3.1 .

Figura 3.1 Schema si mplificată a unui microcontroler [5]

Analizând schema simplificată a unui microcontroler se poate observa că acesta este un
microcircuit care este alcătuit dintr -o unitate centrală și o memorie plus resurse care permit
interacțiunea cu mediul exterior. [6]
Pentru a funcționa la capacitate maximă , un microcontroler trebuie să includă următoarele resurse :
• Unitatea centrală CPU
• Memoria locală de tip ROM/PROM/EPROM/FLASH și eventual o memorie de tip RAM
• Generatorul de tact ( la care trebuie adăugat din exterior un cristal de cuarț – Figura 3.4
• Un sistem de întreruperi
• Dispozitive I /O paralele
• Un port serial de tip a sincron și/sau sincron
Pentru a îndeplini sarcini specifice, pe lângă resursele generale se pot adăuga următoarele
caracteristici :
• Un sistem de conversie A/D sau D/A
• Comparator analogic
• Memorie nevolatilă de tip EEPROM
• Optimizări privind consumul de energ ie

26
Folosirea în proiectarea unui circuit a microcontrolerelor aduce pe lângă scăderea numărului total
de componente electronice folosite cât și costul proiectării și a implementării unui produs.
Cea mai răspândită tehnologie de fabricație este tehnologia CMOS. În acest mod se poate realiza
o structură cu o densitate foarte mare de componente și un consum redus de energie. De asemenea
acest tip de tehnologie de realizare are o rezistență ridicată la perturbații.
Atunci când un sistem de calcul este analiza t, una dintre cele mai importante caracteristici o
constituie tipul arhitecturii unității centrale. Cele mai răspândite arhitecturi sunt : Arhitectura de tip
von-Neumann sau Harva rd.
Microcontrolerele bazate pe arhitectura von -Neumann au o unitate centrală caracterizată de
existența unui singur spațiu de memorie utilizat pentru memorarea atât a codului instrucțiunilor cât și
a datelor ce fac obiectul prelucrării. Există deci o singură magistrală internă care este folosită pentru
prelucrarea instrucțiunilor și a datelor. Efectuarea celor două operații separate, în mod secvențial, are
ca efect încetinirea operațiilor. Este o arhitectură standard, întâlnită la microprocesoarele de uz
general. [6]
În cazul arhitecturii Harvard, există spații de memorie separate pentru program și date. Ca urmare,
vor exista și două magistrale separate, de adrese și de date, pentru codul instrucțiunilor și respectiv
pentru date. Astfel, teoretic, există posibilitatea execuției simultane a celor două operații și o execuție
mai rapid ă a instrucțiunilor. Datorită costului mare al implementării unei astfel de arhitecturi, în cazul
microcontrolerelor se întâlnește o arhitectură Harvard modificată. În această arhitectură, spațiile de
memorie pentru program și date sunt separate, dar magis tralele pentru adrese și date sunt comune. [6]
Pe lângă cele două tipuri de organizare a memoriei, în realizarea unui microcontroler un alt factor
important îl constituie numărul de instrucțiuni. Cele două categorii sunt CISC (Complex Instruction
Set Compu ter) sau RISC (Reduced Instruction Set Computer).
Conceptul CISC conține un set uzual de peste 80 de instrucțiuni, multe din ele foarte puternice și
specializate. De obicei multe din aceste instrucțiuni sunt foarte diferite între ele unele operează numai
cu anumite spații de adrese sau regiștri , altele permit numai anumite moduri de adresare. Avantajul
acestei proceduri constă în faptul folosirii unei singure instr ucțiuni complexe în locul mai multor
instrucțiuni simple.
În schimb conceptul RISC se bazează pe implementarea unui set redus de instrucțiuni care se pot
executa foarte rapid și eficient. Se obține astfel o reducere a complexității microcircuitului , supraf ața
rămasă liberă putând fi utilizată în alte scopuri.

3.1 MICROCONTROLERUL MSP430G2553

Familia de procesoare MSP 430 de la producătorul Texas Instruments are ca principală
caracteristică un consum foarte redus de energie. Combinând mai multe moduri de mana gement al
energie cu o arhitectură optimizată pentru maximizarea autonomiei b ateriei , această familie de
procesoare este ideală pentru aplicațiile de măsurare la distanță.
Seriile MSP430G2xx13 și MSP430G2x53 sunt construite pe o arhitectură de 16 biți de t ip RISC.
Aceste serii de microcontrolere pot susține până la 24 de porturi intrare/ieșire, au integrare un
comparator analogic și pot comunica prin intermediul interfeței seriale cu mai multe dispozitive de
tip slave.

27 Procesorul folosit pentru cele două se rii de microcontrolere este pe 16 biți. Toate operațiile, î n
afară de instrucțiunile de program sunt realizate ca operații între registre în combinație cu șapte
moduri de adresare pentru operandul sursă și patru moduri de adresa pentru operandul destinație .
Procesorul conține 16 regiștri care asigură un număr restrâns de instrucțiuni și un timp de execuție
redus. Astfel operațiile între regiștri se realizează la fiecare semnal de ceas.
Din cei 16 regiștri, patru dintre aceștia R0 -R3 sunt specializați. Funcț iile pe care le îndeplinesc
sunt următoarele : R0 – numărător, R1 – pointer la stivă, R2 – registrul de stare și registrul R4
îndeplinește funcția de generator de constante. Restul regiștrilor au rol general.
Fiind o arhitectură RISC, microcontrolerul conț ine un set de doar 51 de instrucțiuni ce pot fi
adresate în șapte moduri (adresare de tip registru, indexată, absolută, indirectă prin registru , relativă,
indirectă prin autoincrementare și adresare imediată) dar se pot adăuga instrucțiuni pentru a mări
puterea de calcul a microcontrolerului.
Aceste implementări sunt interconectate într -o arhitectură de tip von -Neumann modificată,
folosind o magistrală comună de adrese și de date. Construcția detaliată a microcontrolerului este
prezentată în Figura 3.2 Arhitectura von -Neumann pentru microcontrolerul MSP430G2553 .
[datasheet]

Figura 3.2 Arhitectura von -Neumann pentru microcontrolerul MSP430G2553
Printre avantajele acestui model de microcontroler regăsim :

• Consum redus de energie atunci când acesta funcționează : 230 µA
• Plajă mar e a tensiunii de alimentare – 1.8V -3.6V
• Posibilitatea de a conecta până la 24 de dispozitive intrare/ieșire

28 • Arhitectura pe 16 biți asigură viteza de procesare necesară
• Frecvența internă a microcontrolerului poate ajunge până la 16 MHz
• Conectarea mai multor dispozitive de tip slave prin intermediul interfeței de comunicare
serială [datasheet_manual]
Deoarece a fo st necesar un număr maxim de porturi intrare/ieșire disponibile, pentru această
aplicație am optat la versiunea TSSOP cu 28 de pini a microcontrolerului MSP430G2553.
Implementarea în proiect este prezentată în Figura 3.3 .

Figura 3.3 Microcontrolerul MSP430G2553
Chiar dacă tensiunea de ieșire a regulatorul de tensiune LM2936HV este stabilă
(STABILIZATOR DE TENSIUNE +3.3V ), condensatoarele plasate la intrarea microcontrolerului au
rol de decuplare, pentru a asigura o tensiune constantă.
Printre modulele integrate de acest micr ocontroler, se regăsește un oscilator controlat digital . Prin
intermediul acestui oscilator, microcontrolerul ajunge într -o stare stabilă la pornire în mai puțin de 1
µs. [datasheet] De asemenea, pe lângă acest oscilator, este necesar și un sistem de ceas extern care să
furnizeze cele două semnale de pe pinii 26 și 27 X IN și X OUT .
Sistemul de ceas este proiectat special pentru aplicații cu un consum redus de energie. Semnalul
extern de ceas , de joasă frecvență , este generat direct de către cristalul de cua rț de 32 kHz. Datorită
faptului că semnal generat este de joasă frecvență, microcontrolerul în modul de repaus are un condus
redus de energie.
Cristalul de cuarț este prezentat în Figura 3.4. Acesta este un model AB38T de la producătorul
Abracon având o frecvență de 32.768 kHz .

29
Figura 3.4 Oscilator extern AB38T
Pentru a porni microcontrolerul și a putea controla cele două ieșiri ale sursei de tensiune, a fost
necesară implementarea unui circuit de reset. Implementarea circuitului pentru această aplicație este
prezentată în Figura 3.5 .

Figura 3.5 Circuitul de RESET

Se poate observa că acest semnal RESET este conectat la pinul 24 al microcontrolerul. Acest
circuit are rolul de a comuta starea integratului din starea OFF în starea ON, la pornirea întregului
circuit. În acest mod microcontrolerul va rămâne în starea ON atâta timp cât este alimentat.
Timpul în care pornește microcontrolerul se poate seta prin alegerea corectă a valorilor celor trei
componente ce alcătuiesc circuitul. Rezistența R21 controlează timpul de încărcare al condensatorului
ceramic C29. Cu cât valoarea rezistenței este mai mare, cu atât timpul de încărcare al condensatorului
crește și de asemenea se mărește și durata în care microcontrolerul stă în starea OFF. Rezistența R41
are rolul de „pull up” la tensiunea de alimentare de +3 .3V.
Deoarece în general semnalul de reset este unul zgomotos, a fost necesară implementarea unui
rezistor de „pull up” . Acesta are rolul de a defini starea pinului la care este conectat semnalul de
reset , în cazul în care din cauza zgomotului, starea semnalului este dificilă de determinat.
În acest mod, conectând rezistența R41 la tensiunea de alimentare pozitivă de 3.3V, starea pinului
microcontrolerului a fost setată în 1 logic. Dacă se dorea setarea acestui pin în starea 0 logic, se

30 folosea un rezistor „pull down” conectat la planul de referință, GND. În acest caz, microcontrolerul
nu ar putea fi folosit, deoarece nu ar fi pornit niciodată.

31 De asemenea, pe lângă pinul de RESET și cei doi pini folosiți special pentru ieșirea respectiv
intrarea generatorul de ceas, microcontrolerul MSP430G2553 mai conține și următorii pini de uz
general :

▪ Pinul 25 – TEST – Este folosit pentru programarea microcontrolerul prin interfaț ă seriale;
▪ Pinii 2 3 și 24 – EN_sursa1 respectiv EN_sursa2 – Sunt folosiți pentru pornirea (ENABLE)
și selectarea individuală a uneia dintre cele două ieșiri ale sursei de tensiune prin
intermediul unui buton de tip push, prezentat în secțiunea REGLAREA
PARAMETRILOR PRIN INTERMEDIUL BUTOANELOR DE TIP „PUSH –
BUTTON” ;
▪ Pinii 20 și 21 – Decrement și Increment – Au rolul de a controla atât valoarea tensiunii de
ieșire cât și a cure ntului prin intermediul butoanelor ;
▪ Pinul 19 – I1_măsurat – Acest pin înregistrează în permanență valoarea curentului de
ieșire de pe ramura 1 a sursei de tensiune ;
▪ Pinii 17 și 18 – I1 respectiv I2 – Împreună cu butoanele conectate la pinii 20 și 21, aceste
butoane realizează controlul intensității curentului de pe cele două ieșiri ale sursei de
tensiune ;
▪ Pinii 15 , 16 – V1 respectiv V2 – Analog cu pinii 17 și 18, doar că în acest caz se realizează
controlul tensiunii de ieșire pentru fiecare ramură a sursei de tensiune ;
▪ Pinii 9 -14 –LCD_R S, LCD_Enable și 4 pini de date – realizează conexiunea cu Displayul
LCD prezentat Figura 5.4 pe care se pot urmări valorile de ieșire ale curenților ș
tensiunilor înregistrate pe cele două ramuri independente ;
▪ Pinii 7 și 8 – V2_măsurat, I2_măsurat – Prin intermediul acestor pini se înregistrează în
permanență valorile tensiunii și curentului de pe ramura 2 a sursei de tensiune ;
▪ Pinul 6 – CS2 – Chip Select 2, este folosit pentru a activa linia de comunicații serială cu
integratul MCP4821 , notat în proiect cu comentariul U2 ;
▪ Pinul 5 – V1_măsurat – Înregistrează continuu valoarea tensiunii de ieșire înregistrate pe
ramura 1 a surs ei ;
▪ Pinii 3 și 4 – DAC_SCK și DAC_SDI – Serial Clock Input și Serial Data Input, cele două
semnale sunt folosite pentru comunicarea cu cele două convertoare digital analogice
MCP4821, prin intermediul magistralei seriale, prezentate în secțiunea INTERFAȚA DE
COMUNICARE SERIALĂ – SPI;
▪ Pinul 2 – CS1 – Chip Select 1, este folosit pentru a activa linia de comunicații serială cu
integratul MCP4821, notat în proiect cu comentariul U1 ;
▪ Pinul 1 – VCC – Reprezintă pinul de alime ntare al integratului la tensiunea de +3.3V ;

Cu ajutorul semnalelor V2_măsurat, V1_măsurat respectiv I2_măsurat și I1_măsurat, valorile
parametrilor de ieșire sunt controlați și măsurați în permanență de către microcontroler. Reglajul acest
parametri se f ace prin intermediul convertoarelor digital analogice MCP4821.
Cele două convertoare sunt conectate la microcontrolerul MSP430 prin intermediul interfeței de
comunicare serială și fiecare convertor generează la ieșire un semnal de control pentru partea
analogică a aplicației care va regla mai departe valorile parametrilor de ieșire.
Astfel setând valorile dorite ale tensiunilor de ieșire prin intermediul butoanele de control,
microcontrolerul va înregistra în permanență ș i va compara parametrii de ieșire doriți cu cei măsurați
și va lua deciziile necesare pentru a minimiza diferențele dintre cele două seturi de valori.

32 3.2 INTERFAȚA DE COMUNICARE SERIALĂ – SPI

[8] SPI sau Serial Peripheral Interface Bus este un standard sincr on de comunicare între un master
(MSP430G2553 în cazul aceste aplicații) și unul sau mai multe dispozitive de tip slave (cele două
convertoare digital analogice MCP4821). Acest standard operează în modul full -duplex, transferul de
date având loc în ambele direcții , simultan.
Dispozitivele comunică folosind o relație de tipul master/multi -slave. Acest tip de interfață
suportă un singur dispozitiv de tip master, deoarece master -ul este cel care inițializează cadrele de
date.
Interfața SPI mai poartă denumirea și de -“four wire” serial bus – , pentru a se deosebi de celelalte
standarde ce folosesc unul, două sau trei legături între dispozitivul master și cel slave. Cele patru
semnale utilizate de acest standard sunt următoarele :

▪ SCK – Serial Clock
▪ MOSI – Master Output, Slave Input
▪ MISO – Master Input, Slave Output
▪ CS – Chip Select

În cazul acestei aplicații, cele două semnale de date, MOSI și MISO au fost legate la același pin
al microcontrolerului, la pinul 4, DAC_SDI , din considerente de economie a pinilor. Prin intermediul
acestui semnal se realizează legătura de date de la microcontroler la cele două convertoare.
Deoarece a fost necesar un convertor digital analogic pe fiecare ramură a sursei de tensiune,
fiecare având o referință diferită, au fost necesare implementarea a două semnale de selecție a
dispozitivului slave, CS1 și CS2.
Modul de conectare al dispozitivelor slave cu microcontrolerul este prezentat în Figura 3.6 .

Figura 3.6 Implementare comunicație serială de tipul master -multi slave

33 Pentru a porni comunicația, dispozitivul master trebuie să seteze frecvența ceasului la o valoarea
cel mult egală cu frecvența suportată de slave. Master -ul selectează apoi dispozitivul slave dorit
punând 0 logic pe linia de CS. În timpul unui ciclu SPI, transmisia este full -duplex. Pe linia de date,
DAC_SDI master -ul trimite un bit, slave -ul îl citește, după ce a decodificat informația, slave -ul trimite
un bit iar master -ul îl citește.
Comunicația pe magistrala SPI implică de obicei existența a două registre de shiftare, unul în
master și unul în slave, conectate în circular.
De obicei primul bit shiftat pe linia de date este bitul cel mai semnificativ (MSB), în timp ce un
nou bit este adăugat pe poziția cea mai puțin semnificativă din registru. După ce întregul cuvâ nt a fost
trimis, prin shiftare, master -ul și slave -ul au inte rschimbat valorile din cele două registre de shiftare.
Dacă mai există date de transmis, procesul este reluat. Când nu mai există date de transmis,
master -ul întrerupe generarea ceasului și, în general, pune 1 pe linia de CS asociată slave -ului.
Dispozitivele slave care nu au fost selectate prin semnalul CS asociat lor vor ignora semnalele de
pe SCK și SDI și nu vor genera nimic pe SDI. Master -ul poate selecta doar un singur slave la un
moment dat.
Un exemplu de comunicare SPI între un master și un slave este prezentată în Figura 3.7 .

Figura 3.7 Transfer de date prin magistrala SPI

3.3 CONVERTO RUL DIGITAL ANALOGIC – MCP4821

Deoarece în această aplicație sunt folosite atât elemente analogice dar și digitale, a fost necesară
folosirea unui element care să facă legătura între cele două tipuri de semnale. Astfel am ales
convertorul digital analogic MCP4821 de la Microchip.
Astfel fiecare ramură a sursei de tensiune a fost prevăzută cu un asemenea integrat. Schemele
celor doua componente sunt prezentate în Figura 3.8, respectiv Figura 3.9 .

Figura 3.8 DAC pentru ramura 1 a sursei de tensiune

34 Convertorul plasat pe ramura 1 a sursei de tensiune ( Schema bloc a circuitului ) este alimentat de
tensiunea de +5V generată de regulatorul de tensiune U3, LM2936.
Și în acest circuit a fost necesară plasarea cât mai aproape de pinul de intrare a două capacitoare
ceramice de filtrare a eventualului zgomot, zgomot ce poate influența foarte mult semnalul de ieșire
al convertorului , denumit în cazul acestui circuit DAC1.
Convertorul suportă o tensiune de alimentare cuprinsă între 2.7V și 5.5V și suportă i nterfața de
comunicare serială SPI. (prezentată pe larg în subcapitolul INTERFAȚA DE COMUNICARE
SERIALĂ – SPI .
Integratul poate fi folosit atât în modul Activ cât și Oprit , ShutDown . În modul ShutDown ,
majoritatea circuitelor interne, incluzând ieșirea convertorului sunt oprit pentru a economisi energie .
Cu toate acestea, referința internă a convertorului nu este afectată de oprirea celorlalte circuite. De
asemenea nic i interfața de comunicare SPI nu este oprită. În acest fel este permisă scrierea comenzilor
necesare pentru a activa integratul.
În momentul în care convertorul este pus în modul ShutDown, pe pinul de ieșire nu se va înregistra
niciun semnal analogic, tot odată pinul este cuplat automat la o rezistență internă cunoscută, în valoare
de 500KΩ.
Deoarece în aplicația noastră dorim să funcționeze în permanență convertorul și să nu existe
momente în care acesta va trece în modul ShutDown, pinul dedicat acestei op erații a fost conectat la
1 logic, adică la tensiunea de alimentare de +5V. În acest fel s -a evitat conectarea neintenționată a
convertorului în modul ShutDown.
De asemenea, în afară de pinul 6 al DAC -ului, care poate afecta ieșirea , pinul 5, LDAC, are rolul
de sincroniza ieșirea în funcție de intrarea convertorului.
Atunci când pinul 5 este conectat la planul de masă, GND, ieșirea este întotdeauna actualizată cu
valorile primite la intrarea convertorului . Altfel, dacă acest pin este conectat la tensiunea de
alimentare de +5V, reprezentând 1 logic, ieșirea va fi actualizată doar la anumite momente de timp.
Comunicarea cu microcontrolerul MSP460G2553 se realizează prin interfața serială SPI.
Comenzile și datele necesare sunt trimise căt re DAC prin intermediul pinul SDI, date care sunt
sincronizate pe frontul crescător al semnalului de ceas, SCK. Pe durata transmisiei, pinul 2 al DAC –
ului, CS1, trebuie să fie ținut în starea “low” , 0 logic. Transmisia este alcătuită din 16 biți , dintre ca re
patru biți sunt de configurare a modului de operare al convertorului și 12 biți de date.
După încheierea transmisiei, pinul CS1 este pus în 1 logic iar datele recepționate sunt încărcate
în regiștri de intrare. Deoarece pinul LDAC este ținut în starea 0 logic, datele stocate în regiștrii de
intrare sunt transferați bit cu bit în regiștrii de ieșire și în acest fel, ieșirea convertorului digital
analogic este actualizată.
Deoarece acest model de convertor suportă cuvinte de 16 biți, orice informație prim ită după al
16lea bit este ignorată.
În cazul în care în timpul transferului celor 12 biți de date, integratul primește comanda de a pune
pinul CS1 în starea 1 logic, transferul de date va fi abandonat, și datele vor fi pierdute.
Și în cazul convertorului plasat pe ramura 2 a sursei de tensiune, modul de funcționare este același.
Circuitul convertorului este prezentat în Figura 3.9. Acesta este alimentat la a doua tens iune de
valoare +5V, denumită +5Vcc, obținută separat față de cealaltă tensiune , +5V.
De asemenea se obține și un alt semnal de ieșire, DAC2 cu referința GGND.

35

Figura 3.9 Schema DAC -ului plasat pe ramura 2 a sursei de tensiune

Se poate observa, în comparație cu circuitul din Figura 3.8, că în cazul acestui convertor, avem
un nou sem nal de selecție, CS2 și două noi semnale pentru comunicația serială SPI.
Deoarece dorim ca cele două ieșire ale sursei de tensiune să fie independente, convertorul plasat
pe ramura 2 a sursei are aceeași referință cu restul componentelor plasate de această ramură, GGND.
În schimb, microcontrolerul MSP430 are drept referință planul de masă GND. Astfel a fost necesară
implementarea unui circuit care să facă transferul celor două semnale ale magistralei SPI, DAC_SCK
și DAC_SDI, de la planul de referință GND la planul GGND.
Pentru realizarea acestei operații am ales să folosim două optocuploare , TCLT1003 de la
producătorul Vishay, care să facă tranziția celor două semnale de la planul GND la planul GGND.
Implementarea celor două circuite este asemănătoare și se poate observa în Figura 3.10.

Figura 3.10 Implementare optocuploare

Optocuplorul, cunoscut ș i sub denumirea de optoizolator, este un sistem optoelectronic simplu, la
care semnalul de ieșire urmărește după o lege liniar ă semnalul de intrare, fără ca între circuitul de
intrare și cel de ieșire să existe o legătură galvanică .

36 Optocuplorul este singuru l dispozitiv optoelectronic a cărui funcționare nu este influențată de
proprietățile optice ale mediului înconjură tor. Par ametri săi depind î n principal de curentul de intrare
și de temperatura de lucru. Optocuploarele sunt utilizate în special în c ircuite care necesită o bună
izolare galvanică, în circuite de comandă a comutaț iei diferitel or echipamente electronice sau î n
translatoare de nivel de curent continuu.
Schema de principiu a unui optocuplor este prezentată în Figura 3.11 .

Figura 3.11 Schema de principiu a unui optocuplor
Optocuplorul este format din două parț i distincte:

▪ sursă de radiații (diodă semiconductoare de tip GaAs);
▪ un receptor ( diodă rapidă , fototranzistor, fototranzistori în configuraț ie Darlington,
fototranzistor cu efect de c âmp).

Astfel conectând la intrarea optocuplorului cele două semnale provenite de la microcontroler,
DAC_SDI și DAC_SCK cu referința GND la ieșirea integratului vom obține două noi semnale
DAC_SDI_2 și DAC_SCK_2 care vor avea drept referință GGND.
Însă, folosind acest tip de implementare au apărut două probleme :
1) Semnalul înregistrat la ieșirea optocuplorul este in versat
2) Curentul maxim ce poate fi generat de microcontroler este de 5mA la frecvența de
16MHz (Consultând foaia de catalog a componentei s -a constatat că valoarea
recomandată a curentului de intrare pentru a obține cea mai precisă dependență a ieșirii
față de intrare este de 50mA. )
Astfel pentru rezolvarea celor două probleme a fost necesară introducerea unui tranzistor cu rol
de inversor la intrarea fiecărui optocuplor.

Figura 3.12 Tranzistor cu rol de inversor

37 Astfel, atunci când în baza tranzistorului Q11 semnalul DAC_SCK este activ, adică are valoare a
1 logic, va exista curent în baza tranzistorului. Acest curent va fi amplificat și curentul de colector va
produce o cădere de ten siune pe rezistența R 53, conectând în acest mod ieșirea circuitului la planul
de masă, rezultâ nd un semnal de valoare 0 logic pe ramura OUTPUT.
Prin urmare, când în baza tranzistorului se înregistrează un semnal 0 logic, în baza tranzistorului
nu va exista niciun curent iar curentul de colector devine nul . În acest moment nu se mai înregistrează
nicio cădere de tensiune pe rezistența din colectorul tranzistorului, iar la ieșire vom avea o valo are
apropiată de tensiunea +3.3V , ce reprezintă 1 logic.
Astfel a m rezolvat prima problemă, conectând la intrarea optocuplorului semnalul deja inversat
și la ieșirea sa va rezulta semnalul dorit, fără a fi necesare alte prelucrări.
Conectând în colectorul tranzistorului NPN o rezistență de 100R, am asigurat în momentul în care
dorim să polarizăm direct dioda din interiorul optocuplorului, curentul de 33mA va fi suficient pentru
aprinderea ledului.
În acest mod sunt generate cele două semnale DAC1 și DAC2 care vor controla mai departe partea
analogică a acestui proiect.
În continuare, pentru a menține cele două ramuri ale sursei de tensiune separate și partea analogică
a fost dublată, fiecare având referința independentă.

38 4. Capitolul 4 : STABILIZATORUL LINIAR DE TENSIUNE

Toate circuitele electrice sunt proiectate pentru a lucra la o anumită te nsiune de alimentare
considerată optimă. În realitate însă tensiunea de alimentare de cele mai multe ori variază într -o
anumită plajă de valori. Unele circuite sunt mai tolerante față de aceste variații, altele mai puțin.
Pentru a re zolva această problemă a variațiilor de tensiune, au fost dezvoltate circuitele care la intrare
acceptă o tensiune electrică variabilă și oferă la ieșire o tensiune electrică mai mică dar stabilă. Aceste
circuite poartă denumirea de stabilizatoare liniare de tensiune.
Stabilizatorul de tensiune liniar presupune existența unei componente electrice active, sau element
activ, diodă sau tranzistor, care își ajustează rezistența electrică internă astfel încât tensiunea de la
ieșirea stabilizatorului să fie const antă.
Cu alte cuvinte, elementul activ nu face altceva decât să gâtuie mai mult sau mai puțin curgerea
curentului electric prin el astfel încât tensiunea electrică de la ieșirea stabilizatorului sa rămână
constantă. Această variație de rezistență internă t inde să contracareze efectul variației tensiunii de
intrare sau a variației curentului consumat la ieșire în următoarele moduri:

▪ dacă tensiunea de intrare creste , elementul activ își creste rezistența internă pentru a
împiedica creșterea tensiunii la ieșire. În mod similar, scăderea tensiunii de intrare
produce scăderea rezistenței interne a elementului activ;

▪ dacă sarcina conectată la ieșire cere un curent mai mare de la stabilizator, elementul
activ se deschide mai mult împiedicând astfel scăderea tensi unii de ieșire . În mod
similar, scăderea curentului cerut de sarcina de la ieșire produce creșterea rezistenței
interne a elementului activ.

Oricum ar varia tensiunea de intrare sau curentul de sarcină, elementul activ răspunde într -un mod
liniar, proporț ional :

▪ dacă tensiunea de intrare creste cu 15%, elementul activ își creste rezistența internă tot
cu 15%;
▪ dacă sarcina conectată la ieșirea stabilizatorului cere un curent de 10 ori mai mare,
elementul activ își reduce rezistența internă tot de 10 ori.

Într-o altă ordine de idei, putem spune că un stabilizator liniar nu poate funcționa dacă elementul
activ este complet deschis sau complet închis. Asta ar însemna că la ieșire am avea ori exact aceeași
tensiune ca și la intrar e ori nu am avem deloc tensiun e. [4]
Deoarece dorim ca cele două ieșiri ale sursei de tensiune să fie complet independente, a fost
necesară implementarea a două stabilizatoare de tensiune, fiecare având aceeași referință precum
circuitele anterioare pe fiecare ramură în parte .
Sche mele celor două stabilizatoare liniar e de tensiune sunt prezentate în Error! Reference
source not found. respectiv Figura 4.2.

39

Figura 4.1Circuitul analogic pentru ramura 1, cu referința GND

Figura 4.2 Circuitul analogic pentru ramura 2, cu referința GGND

După cum se poate observa în cele două figuri , semnalele generate de către convertoarele digital
analogi ce, DAC1 și DAC2 controlează baza tranzistoa relor Q9 respectiv Q10.
Pentru a putea disipa mai ușor căldura și de a evita eventuale suprasolicitări, am ales ca pe fiecare
ramură, în locul unui singur tranzistor de putere, să conectăm doi tranzistori de putere, conectați în
paralel.
Această implementa re, plus folosirea unui radiator pe care vor fi așezați cei patru tranzistori de
putere, pentru disiparea căldurii , va asigura buna funcționare pe termen mediu și lung a sursei de
tensiune.

40 Cei doi tranzistori de putere conectați în paralel, împreună cu tranzistorul conectat în baza lor
realizează o conexiune Darlington.
Simplificat, conexiunea Darlington este prezentată în Figura 4.3.

Figura 4.3 Conexiune Darlington [10]
Am ales acest mod de cuplare a tranzistoarelor de putere pentru obținerea unui factor de
amplificare mai mare. De asemenea, pe lângă factorul de amplificare mai ridicat, un alt avantaj al
acestei conexiuni în comparație cu folosirea unui singur tranzistor de putere îl reprezintă rezistența
de intrare mai mare.
Pentru conexiunea Darlington factorul de amplificare are formula :

𝛽𝑒𝑐ℎ=𝐼𝐶
𝐼𝐵

Unde, I C reprezintă curentul de colector și este egal cu suma celor doi curenți de colector ai
tranzistoarelor .
IB reprezintă curentul de bază al conexiunii :

𝐼𝐵=𝐼𝐵1
IC=IC1+IC2<=>IC = IB1∗β1+IE1∗β2
β2∗I𝐸1= β2(IB1+IC1 )=β2∗(IB1+IB1 ∗β1)

Din cele trei ecuații rezultă că factorul de amplificare echivalent are formula :

βech = β1+β2+β1∗β2

Tranzistorul compus , în conexiune Darlington, se comportă în circuit ca un tranzistor de tip NPN
cu factorul de amplificare în curent continuu egal cu βech. -10-

41 În emitorul fiecărui tranzistor de putere, este conectată rezistență de valoare foarte mică, de
ordinul mΩ, cu scopul de a compensa eventualele diferențe de fabricație dintre tranzistoarele de
putere. Chiar dacă sunt același model, BD243C, de la același producător, Fairchild, în practică sunt
foarte gr eu de realizat două componente identice.
Ca măsură de siguranță și pentru a asigura buna funcționare a circuitului analogic și a
tranzistoarele de putere, am introdus în schema electrică și două diode pe fiecare ramură.
La ieșirile celor două circuite anal ogice se pot observa semnalele de măsură ce vin de la
microcontroler. Acestea sunt comparate în permanență cu valorile dorite, V1 și V2, înregistrare de la
butoanele de control și se fac ajustările necesare.
Atât în cazul stabilizatorului de tensiune de pe ramura 1, cât și de pe ramura 2, cele două semnale
V1_măsurat și V2_măsurat, sunt tensiuni le rezultate dintr -un divizor de tensiune , unde valorile
rezistențelor au fost alese astfel încât să se poată obține o relație între tensiunea de ieșire reală și cea
măsurată de microcontroler ușor de implementat software.
Am recurs la această implementare deoarece în general un microcontroler nu poate lucra cu
tensiuni mai mari decât tensiunea de alimentare, astfel în acest caz pentru ramura 1 :

VMASURAT1 = R16
R16 +R31∗VOUT1 =>
VMASURAT1 = VOUT1
10

Prin această metodă, știm exact că tensiunea reală de la ieșire este de fix 10 ori mai mare decât
tensiunea măsurata de microcontroler.
O implementare asemănătoare a fost folosită și pentru determinarea curenților de ieșire. Sc hema
este prezentată în Figura 4.4 .

Figura 4.4 Determinarea curentului de ieșire pe ramura 1
Cele trei rezistențe conectate în paralel au rolul de a ajuta la determinarea curentului de ieșire.
Astfel în implementarea software, vom programa microcontrolerul să determine intensitatea
curentului de ieșire ca fiind raportul între o tensiune cunoscută și cele tr ei rezistențe.
Pentru a minimaliza eroarea între valorile măsurate și valorile reale, am ales aceste rezistențe de
valori foarte mici, de ordinul mΩ și de asemenea pot disipa o cantitate considerabilă de căldură .
Formula curentului de ieșire este :
IMASURA T1= VOUT1
R6+R8+R10

42 Aceeași implementare este folosită și p entru ramura 2 a sursei de tens iune, atât pentru
determinarea curentului cât și a tensiunii de ieșire.

4.1 SIMULAREA CIRCUITULUI ANALOGIC

Pentru a evita eventuale greșeli în realizarea circuitului, au fost necesare realizarea de simulări
pentru partea analogică a circuitului.
Schema electrică și s imulările au fost realizate cu ajutorul programului PSpice.
Schema este prezentată în Figura 4.5 .

Figura 4.5 Schema circuitului analogic simulat în PSpice

Următorii parametrii au fost folosiți în cadrul simulării :

▪ Sursa de tensiune V1 reprezintă sursa de alimentare a întregului proiect, tensiunea generată de
transformatorul toroidal
▪ Sursa de tensiunea V2 reprezintă tensiunea generată de către convertorul digital analogic , DAC1
și DAC2 și poate lua valori de la 0V la maxim +5V care reprezintă tensiunea de alimentare a
integratului
▪ La ieșirea circuitului s -a plasat un marker de tensiune pentru a putea înregistra rezultatele
simulărilor

43 Rezul tatele simulărilor sunt prezentate în următoarele figuri :

Figura 4.6 Simul ări PSpice V2=0.3V

Figura 4.7 Simulări P Spice V2 = 1.5V

Figura 4.8 Simulări PSpiceV2=2.5V

44 Din simulările realizate în PSpice se poate evidenția faptul că odată cu creșterea tensiunii furnizate
de către convertorul digital analogic , crește și tensiunea de la ieșirea circuitului.
De asemenea se poate observa că pentru valori foarte mici ale semnalelor DAC1, DAC2 ,
tensiunea înregistrată la ieșirea stabilizatorului de tensiune fluctuează o perioadă scurtă de timp până
ajunge să devină stabilă.

45

46 5. CAPITOLUL 5 INTER FAȚA CU UTILIZATORUL

5.1 REGLAREA PARAMETRILOR PRIN INTERMEDIUL BUTOANELOR DE TIP
„PUSH -BUTTON”

Legătura dintre microcontrolerul MSP430 și u tilizator se re alizează printr -o serie de butoane de
tip „push button” (Figura 5.1). Acestea au fost plasate pentru a facilita un control rapid și ușor.

Figura 5.1 Buton de tip Push Button
În acest mod , utilizatorul poate regla prin apăsări repetate atât tensiunea cât și curentul de ieșire
de pe cele două ramuri ale sursei de tensiune. Implementarea circuitului est e prezentată în Figura 5.2.

Figura 5.2 Implementarea circuitului de reglare a parametrilor de ieșire

În Figura 5.2 este prezentat doar circuitul pentru funcția de „Incrementare ” a parametrilor. Prin
intermediul butoanelor de control se poate regla și funcția de „Decrem entare ” sau se poate alege
ieșirea dorită a sursei de tensiune.
De asemenea la alegerea ramurii de ieșire a sursei de tensiune, o diodă LED , de culoare roșu va
indica care ieșire este activă.

47 Pe lângă butonul efectiv, circuitul mai conține un condensator d e 100 ƞF cu rolul de a elimina
zgomotul produs de părțile mecanice ale butonului, rezistența de valoare 1 KΩ oferă timp
condensatorului să înmagazineze energie, rezistorul de 10 KΩ este un rezistor de tipul „pull-up” la
tensiunea de alimentare de +3.3 V, i ar rezistența de 100Ω plasată înaintea butonului de tip „push –
button ” are rolul de protecție a întregului circuit la descărcări nedorite ale electricității statice.

5.2 DISPLAY -UL LCD AL SURSEI DE TENSIUNE

Pentru a putea observa modificările realizate prin acționările butoanelor, un display LCD (Liquid
Crystal Display) a fost instalat în aplicație. Prin implementare software acesta va afișa toate
modificările parametrilor de ieșire.
În prezent LCD -urile se găsesc într -o mare varietate de dimensiuni : 8×2, 16 x1, 20×4 până la
40×2. Aceste dimensiune reprezintă numărul de coloane și rânduri pe care se pot afișa caractere sau
numere.
Într-un LCD, caracterele sunt generate într -o matrice de 5×8 sau 5×7, unde 5 reprezintă numărul
de coloane iar 7 sau 8 numărul de rânduri. Astfel nu pot fi afișate caractere ce folosesc o matrice mai
mare de 5×8. [11]
În cele mai multe cazuri, se folosește modul de afișare 5×7, lăsându -se rândul al optulea liber
pentru a fi folosit de către punctul zecimal. În Figura 5.3 este prezentată aranjarea pixelilor într -o
matrice de 5×8. [11]

Figura 5.3 Aranjarea pixelilor într -un ecran LCD [11]

În afară de numărul total de linii și coloane, un alt mod de clasificare al ecranelor LCD constă în
numărul de pini disponibil. Astfel display -urile se împart în două grupe : display -uri cu 14 pini sau
16 pini.
Diferența dintre cele două modele constă în f aptul că versiunea cu 14 pini nu prezintă opțiunea
de control a luminii de fundal. Această versiune poate avea lumina de fundal întotdeauna pornită sau
să nu existe această opțiune deloc. În timp ce modelul cu 16 pini are două conexiuni în plus
reprezentân d anodul și catodul. Acești doi pini sunt folosiți pentru a oferi posibilitatea de a controla
lumina de fundal a ecranului pentru o mai bună utilizare.
Atât pentru versiunea de 14 pini cât și pentru cea de 16 pini, implementarea hardware este aceeași.

48 În Figura 5.4 este prezentată implementarea circuitului de control al display -ului LCD.

Figura 5.4 Implementare circuit LCD
Pe lângă pinii de control a luminii de fundal, pinul 15, LED+ respectiv pinul 16 , LED -, ecranul
LCD pentru o funcționare corectă mai are nevoie de următorii pini cu care îndeplinesc funcțiile 12 :

▪ Pinul 1 – VSS este conectat la p lanul de masă, urmărind foaia de catalog a componentei .
▪ Pinul 2 – VDD reprezintă pinul de alimentare
▪ Pinul 3 – VO, împreună cu pinul 15, se conectează la potențiometrul R32, de valoare
10KΩ, pentru a putea controla intensitatea contrastului
▪ Pinul 4 – RS – semnalul este conectat la microcontrolerul MSP430 și îndeplinește funcția
de scriere a comenzilor când este setat pe valoarea 0 logic sau scrierea de date atunci când
este setat pe 1 logic
▪ Pinul 5 – R/W – Pinul de citire când este setat pe 0 logic sau s criere când este pus în 1
logic. Deoarece vom folosi ecranul LCD doar pentru afișarea datelor, acest vin a fost
conectat la planul de masă GND.
▪ Pinul 6 – E – Pinul de selecție a componentei prin intermediul semnalului LCD_E, care
este în legătură cu microc ontrolerul MSP430.
▪ Pinii 7 -10 Pini de date, folosiți pentru comunicarea cu microcontrolerul în modul de
transmisie pe 8 biți.

Din motive de limitare a numărului de pini în cazul microcontrolerului, pentru această aplicație ,
implementarea modului de comun icare LCD -MSP430 pe patru biți a fost folosit.

49 Acest mod de transfer al datelor pe patru biți constă în formarea de grupuri de dimensiuni fixe,
de patru biți și trimiterea acestora la microcontroler în mod serial. Cele două grupuri formate sunt
alcătuite a stfel : primul grup alcătuit din pinii cei mai puțini semnificativi DB0 -DB3 (pinii 7 -10) iar
al doilea grup, cel mai semnificativ format din următorii patru pini DB4 -DB7.
Dacă s -ar fi folosit modul de transfer pe opt biți, fiecare pin era conectat direct la microcontroler,
folosind astfel opt linii de date între ecranul LCD și microcontroler.
Din aceste motive, pinii 7 -10 sunt conectați la planul de masă, nefiind utilizați în cadrul acestei
aplicații , iar pinii 11 -14 conectați la microcontrolerul MSP430 pe ntru transferul de date.
Deoarece am ales varianta cu 16 pini, deci cu opțiunea de control a luminii de fundal, a fost
necesară implementarea unui conector cu doi pini. Acesta este conectat atât la tensiunea de
alimentare , cât și la o rezistență de 200Ω conectată la planul de masă.
Acești doi pini vor fi conectați ulterior la pinii ecranul LCD, LED+ respectiv LED – .
De asemenea pentru ca tensiunea de alimentare a componentei să fie cât mai puțin afectată de
zgomot, a fost plasat lângă pinul de alimentar e un condensator cu rol de decuplare.

5.3 MOD DE UTILIZARE A SURSEI DE TENSIUNE

Având detaliate componentele utilizate în interacțiunea dintre utilizator și sursa de tensiune, în
secțiunea curentă va fi detaliat modul de utilizare al acestora.

Primul pas , după alimentarea sursei de tensiune prin intermediul transformatorului (pentru mai
multe detalii privind această componentă, consultați secțiunea TRANSFORMATORUL din Capitolul
al-doilea), prin intermediul butoanelor de control marcate pe cablajul sursei cu denumirile Enable_S2
și Enable_S1 se va selecta ramura și ieșirea dorită a sursei de tensiune.
De asemenea, ca măsură de siguranță și control, în circuit de selecți e au fost introduse două diode
LED care vor marca ieșirea dorită .

Figura 5.5 Selecția ramurii de ieșire
Următorul pas după selectarea ieșirii dorite, va consta în setarea parame trii de ieșire doriți.
Această operație se realizează prin intermediul butoanelor de control marcate cu denumirile V2, V1,
I1, I2 și Decrementare, Incrementare.

50 Acestea au fost plasate pe cablajul imprimat astfel încât să fie ușor accesibile utilizatorului.
Astfel selectând funcția dorită, incrementare sau decrementare, utilizator va alege parametrul ce
se dorește a fi modificat, tensiunea sau curentul de pe fiecare ramură.
Aceste setări vor putea fi vizualizate prin intermediul ecranului LCD prezentat în secțiunea
anterioară ( DISPLAY -UL LCD AL SURSEI DE TENSIUNE ).

Figura 5.6 Implementare ecran LCD pe cablajul imprimat

În acest mod se face reglarea parametrilor de ieșire a celor două surse de tensiune independente.

51

52 6. Capitolul 6 Realizarea practică a sursei duble de tensiune

Realizarea practică sursei duble de tensiune este alcătuită din două etape. Prima etapă constă în
realizarea layout -ului, iar a două reprezintă asamblarea tuturor componentelor pe cablajul imprimat.

6.1 Realizarea layout -ului

Pentru această etapă a fost folosit software -ul dedicat pentru realizarea schemelor electrice și a
cablajelor imprimate, Altium Designer. Acest software are o putere de prelucrare a schemelor foarte
mare și capacitatea de a transfera datele din schematic în layout.
După finalizarea schemei electrice a circuitului, transferul componentelor de la nivel de simbol la
footprint, se face în mod au tomat utilizând funcțiile de transfer ale software -ului.
Plasarea componentelor s -a făcut ținând cont de o serie de reguli predefinite și urmând
recomandările din foile de catalog ale producătorilor de componente . Printre regulile folosite în
vederea reali zării acestui proiect se regăsesc:

▪ Dimensiunea traseelor de semnale de 0.3mm (această dimensiune aduce și un cost mai scăzut
de fabricație a întregului proiect ).
▪ Dimensiunea traseelor care necesită un amperaj foarte mare, de 1mm. În condițiile acestui
proiect, două suprafețe de semnale și un singur dielectric, aceste trasee de 1mm pot duce un curent
de până la 4 amperi.
▪ Planele de masă pentru cele două ramuri ale sursei de tensiune au fost trasate astfel încât în
niciun moment să nu existe posibilitatea s uprapunerii sau apropierii celor două plane de cupru la mai
puțin de 2mm.
▪ Tensiunile de alimentare pentru cele două ramuri, tensiunile de +5V și +5Vcc cât și tensiunea
de +3.3V au fost trasate folosind plane de cupru de dimensiuni mari, care să asigure ali mentarea
corectă a tuturor componentelor.
▪ Plasarea componentelor la o distanță de minim 0,254mm echivalentul a 10 mili pentru o
asamblare ușoară a componentelor.
▪ Pentru a evita posibilitatea unei supraîncălzire a celor patru tranzistoare de putere, s -au fo losit
două radiatoare din aluminiu, pentru a ajuta la disiparea căldurii. Pe fiecare ramură a sursei de
tensiune fiind plasat un astfel de radiator.
▪ Pentru o utilizare ușoară și intuitivă a sursei de tensiune, s -a ales plasarea conectorilor de
intrare în s tânga cablajului imprimat, iar cele două ieșiri în partea din dreapta.
▪ Pentru a facilita trasarea semnalelor, dar și din motive de cost s -a ales plasarea componentelor
SMD pe o singură partea (Top Side) a cablajului imprimat.

În Figura 6.1 și Figura 6.2sunt prezentate cele două fețe ce alcătuiesc proiectul. Așa cum s -a
specificat mai sus, pe layer -ul TOP, sunt plasate toate componentele SMD și THD și sunt trasate o
parte din semnalele necesa re funcționării corecte a sursei de tensiune.
Pentru a diferenția mai ușor planele de tensiune s -a folosit una dintre funcțiile software -ului de
proiectare Altium Designer ce permite selectarea de culori pentru fiecare plan în parte.

53 Astfel, pe layer -ul de TOP cu verde deschis s -a trasat planul de masă GND, care este referință
pentru toate componentele plasate pe ramura 1 a sursei de tensiune, iar cu albastru s -a trasat planul
de masă GGND, ce reprezintă referință pentru componentele plasate pe ramura 2.

Figura 6.1 Layout TOP Side

În Figura 6.1 se pot observa traseele de putere ce pot duce în configurația actuală a c ablajului
până la 4 amperi și diferitele trasee de semnale ce pornesc de la microcontrolerul MSP430 la
butoanele de control plasate pe marginea dreaptă a cablajului imprimat și la conectorul pe care va fi
amplasat ulterior ecranul LCD .
De asemenea se po ate observa delimitarea celor două ramuri ale sursei de tensiune și
independența lor precum și componentele de legătura, optocuploarele (prezentate în Figura 3.10
Implementare optocuploare ), între ramura 2 și microcontroler.
În Figura 6.2 este prezentată partea din spate a cablajului imp rimat, unde au fost trasate planele
de tensiune, de asemenea folosind diferite culori pentru o identificare mai ușoară.

54
Figura 6.2 Layout BOTTOM Side

6.2 Asamblarea componentelor

Odată cu terminarea proiectării cablajului imprimat, următorul pas este generarea fișierelor
Gerber. Aceste fișiere conțin toate informațiile necesare unei mașini computerizate să prelucreze
planele de cupru, să creeze pad-urile componentelor SMD, să reali zeze traseele de cupru și în cazul
în care cablajul este de tip multi -layer să realizeze găurile de interconectare, vias -urile.
Lista fișierelor generate necesare producător ului pentru realizarea practică a cablajului imprimat
este prezentată în Figura 6.3. Acestea sunt p rezentate în secțiunea Anexa 2 .

Figura 6.3 Lista fișierelor Gerber generate

55 Rezultat a cestor fișiere este prezentat în Figura 6.4, unde este prezentat cablajul imprimat înaintea
asamblării tuturor componentelor.

Figura 6.4 Cablajul imprimat înaintea asamblării
Deoarece asamblarea componentelor te tip SMD necesită echipamente de specialitate, asamblarea
proiectului s -a făcut în cadrul Centrului de Electronică Tehnologică și Tehnici de Interconectare
CETTI) din cadrul facultății de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației ).

Figura 6.5 Poza cu placa

56 Procesul de lipire este prezentat în următoarele figuri :

57

58 7. Capitolul 7 Realizarea și integrarea software -ului pentru MSP430

Pentru realizarea software -ului s -a folosit mediul de dezvoltare Energie. Acesta este un mediu
compatibil Arduino și cu implementări asemănătoare.
Folosind kit -ul de dezvoltare Texas Instruments Launch Pad și un con ector de 4 pini, s -a realizat
implementarea codului sursă pentru ca sursa de tensiune să funcționeze în parametrii.

Figura 7.1 Conector folosit pentru implementarea software

Condițiile inițiale de funcționare :
Codul sursă complet este prezentat în Anexa 3.

59

60 8. Capitolul 8 : Concluzii

61

62 9. Bibliografie

[1] – http://www.tehnium -azi.ro/page/articole_articles/_/articles/surse -de-alimentare/proiectarea –
%C5%9Fi -construc%C5%A3ia -transformatoarelor -toroidale -r25
[2] – http://www.afahc.ro/ro/facultate/cursuri/ccg/CDE/Cursul%208%20 -%20Redresoare.pdf
[3] – http://www.unibuc.ro/prof/dinca_m/miha -p-dinc-elec-manu –
stud/docs/2011/sep/19_11_18_18cap_5_v3.pdf
[4] – http://www.hobbytronica.ro/stabilizatoare -de-tensiune -liniare/
[5] – http://www.scritub.com/stiinta/informatica/Notiunea -de-microcontroller -De95575.php
[6] – http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/Microcontrolere%20introducere.pdf
[7] – http://vega.uni tbv.ro/~romanca/psci/4 -PSCI -Interf -Comm -MC-4spp.pdf
[8] – http://cs.curs.pub.ro/wiki/pm/lab/lab4
[9] – http://www.rasfoiesc.com/inginerie/electronica/Optocuplorul84.php
[10] –
http://www.phys.ubbcluj.ro/~anghels/teaching/Electronics/capitole%20electronica%20pdf/Amplific
area.pdf
[11] – http://www.microcontroller -project.com/16×2 -lcd-working.html
[12] – https://www.robofun.ro/docs/lcd20x4albastru.pdf

63

64 10. ANEXE

Anexa 1 – Schema circuitului

Figura 10.1 Schema electrică a circuitului – 1

65
Figura 10.2 Schema electrică a circuitului – 2

66 Anexa 2 – Fișierele Gerber

Figura 10.3 TOP Solder

Figura 10.4 Top Layer

67
Figura 10.5 Bottom Layer

Figura 10.6 Bottom Solder

68 Anexa 3 – Codul Sursă