Variabilný napájací zdroj na báze LM317 pre domácich majstrov: 13 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:01

Napájací zdroj je nepochybne absolútne nevyhnutným vybavením akéhokoľvek elektronického laboratória alebo každého, kto chce robiť projekty v oblasti elektroniky, najmä variabilný zdroj napájania. V tomto tutoriále vám ukážem, ako som postavil napájací zdroj s lineárnym pozitívnym regulátorom LM317 na báze premenlivého napätia 1,2-30V (v skutočnosti 1,2V na vstupné napätie-2,7V).

Toto sú funkcie, ktoré som chcel, aby mal môj PSU.

• Jeden variabilný výstup s minimálnym prúdom 2 A.
• Pevný 12 V výstup s 2A.
• Opravený 5 V výstup s 2 A.
• Opravený výstup 3,3 V s 1A.
• Dva porty USB na nabíjanie telefónov pri 1A.

Napájací zdroj nepoužíva žiadny transformátor, namiesto toho znižuje konštantné vstupné napätie v rozsahu 15-35V na mnoho rôznych napätí na výstupe. Túto jednotku teda môžete napájať akýmkoľvek SMPS s menovitým napätím 15-35V a prúdom 2-5A ALEBO napájaním transformátora s rovnakými špecifikáciami.

Krok 1: Príprava

1. Prejdite na https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download a stiahnite si softvér Eagle schematic capture pre svoj operačný systém.
2. Prejdite na https://www.sketchup.com/download a stiahnite si najnovšiu verziu SketchUp a nainštalujte si ju.
3. Nájdite dobrý SMPS s menovitým napätím medzi 15-36V ALEBO vytvorte zdroj na báze transformátora s výstupným napätím 15-36V DC.

Krok 2: Schéma

Schéma vám poskytne prehľad o mojom pláne. Nebolo to však navrhnuté tak, aby generovalo súbor PCB, ako som zvyčajne robil pre svoje jednorazové návrhy. Nestaral som sa teda o balíky komponentov. Ak chcete vytvoriť rozloženie DPS, musíte vybrať správne balíky. Pre každý sú tri tranzistory LM317 a tri tranzistory PNP TIP2955 PNP. Každý z týchto modelov LM317 zníži vstup 36 V na naprogramované napätie. U2 bude produkovať konštantných 12 V, U3 bude produkovať premenlivé napätie a U1 bude produkovať pomocné 12 V pre ďalšie 5V a 3,3 regulátory, aby sa znížilo teplo nimi odvádzané.

LM317 môže poskytovať výstupný prúd vyšší ako 1,5A. Ale v tomto prípade, s veľkým rozdielom vstupného a výstupného napätia, bude musieť LM317 rozptýliť prebytočný výkon ako teplo; toľko tepla. Používame teda prechodové prvky. Tu som použil výkonový tranzistor TIP2955 ako prechodový prvok na pozitívnej strane. Ako priepustný prvok na negatívnej alebo výstupnej strane môžete použiť TIP3055 alebo 2N3055. Dôvod, prečo som si vybral PNP, je ten, že nemenia výstupné napätie tak, ako by to robili tranzistory NPN (výstup bude o +0,7 V vyšší, keď sa použije NPN). Tranzistory PNP sa používajú ako priechodné prvky v regulátoroch s nízkym a ultranízkym výpadkom. Vykazujú však určité problémy so stabilitou výstupu, ktoré je možné zmierniť pridaním kondenzátorov na výstup.

2W odpory R5, R7 a R9 budú produkovať dostatočné napätie na ovplyvnenie priepustných tranzistorov pri nízkych prúdoch. Pomocný výstup 12V je pripojený k vstupom troch ultraľahkých 5V 1A regulátorov LM2940, z ktorých dva slúžia na výstupy USB a druhý na výstup na prednom paneli. Jeden z 5V výstupov je pripojený k regulátoru AMS1117 pre výstup 3,3V. Ide teda o sériu rôznych regulátorov.

Premenlivý výkon je prevzatý z U3, ako je znázornené na schéme. Na hrubé a jemné nastavenie výstupného napätia som použil 5K potenciometer v sérii s 1K potenciometrom. Modul voltmetra DSN DVM-368 (návod na mojom webe) je pripojený k variabilnému výstupu na zobrazenie napätia na prednom paneli. V sekcii „Zapojenie“nájdete zmeny, ktoré je potrebné vykonať na module voltmetra. Môžete použiť akékoľvek ďalšie moduly V alebo A bez veľkých úprav.

Tu si stiahnite schematický obrázok-p.webp

Krok 3: 3D model SketchUp

Aby som naplánoval umiestnenie konektorov, prepínačov atď. A získal správne rozmery na rezanie dosky MDF, hliníkového kanála atď., Najprv som v SketchUp navrhol 3D model skrinky zdroja. Všetky komponenty som už mal so sebou. Navrhovanie modelu bolo teda jednoduché. Použil som MDF dosku hrúbky 6 mm a hliníkové výlisky (uhol) veľkosti 25 mm a hrúbky 2 mm. Súbor modelu SketchUp si môžete stiahnuť pomocou nižšie uvedeného odkazu.

Súbor LM317 PSU SketchUp 2014: Stiahnite si súbor nižšie. Tento materiál si môžete zadarmo stiahnuť, upraviť a znova distribuovať.

Krok 4: Zhromaždite nástroje a diely

Ide o požadovaný materiál, nástroje a komponenty.

Pre box PSU,

• Doska MDF s hrúbkou 6 mm.
• Hliníkové šikmé výlisky - veľkosť 25 mm, hrúbka 2 mm.
• 25 mm strojné skrutky so štrbinovou zaoblenou hlavou a kompatibilnými maticami a podložkami.
• Akrylový alebo ABS plech s hrúbkou 3-4 mm.
• Starý hliníkový chladič a ventilátor CPU.
• PVC nožičky veľkosti 1,5 cm.
• Matná čierna farba v spreji.
• MDF primer.

Pre obvodovú dosku,

• 3x TIP2955 (balík TO-247)
• Sľudové izolátory pre tranzistory TO-247
• 3x LM317T
• 3x LM2940
• 1x AMS1117-3.3
• 3x 2W, 100 Ohm odpory
• 10 x 100 nF keramické kondenzátory
• 6x diódy 1N4007
• 470 uF, 40V elektrolytické krytky
• 1x dióda 6A4
• 3x 1K odpory
• 3x 200 Ohm odpory
• 1x 3-4A poistky a držiaky poistiek
• 100 uF, 10V elektrolytické kryty
• 1x 1K lineárny potenciometer
• 1x 5K lineárny potenciometer
• 2x gombíky potenciometra
• 2 pinové svorkovnice
• Chladiče pre balíky TO220
• Chladiaca pasta
• 4x páčkové/páčkové prepínače SPST
• Káble a vodiče zo starých počítačových zdrojov
• Teplom zmrštiteľné trubice s priemerom 3 mm a 5 mm
• PCB s perforovanou matricou
• Samčie kolíkové hlavičky
• 2x female USB typ A receptory
• 4x konektory reproduktorov ALEBO 8x viazacie stĺpiky
• 1x kolískový prepínač SPST/DPDT
• 4x LED diódy 3 mm/5 mm
• 1x voltmeter DSN-DVM-368
• 5 x samičie DC valcové konektory (skrutkovateľné)
• Plastové pätky

Nástroje

• Čepele píl
• Vŕtačka
• Nosový hráč
• Rôzne typy súborov
• Rôzne typy kľúčov
• Meracia páska
• Čierna permanentná značka CD
• Mnoho typov skrutkovačov a skrutkovačov Philips (kúpte si súpravu)
• Zaťahovací nôž a čepele
• Rotačný nástroj (nie je potrebný, ak máte schopnosti)
• Brúsny papier veľkosti 300 a 400
• Kliešť (na medené drôty)
• Multimetr
• Spájkovačka
• Spájkovací drôt a tavidlo
• Odizolovače drôtov
• Pinzeta
• A akýkoľvek nástroj, ktorý nájdete.
• Znečistená/prachová maska na ochranu pred lakom.

Krok 5: Zostavenie dosky plošných spojov

Odrežte perfboard podľa svojich požiadaviek. Potom umiestnite a spájkujte komponenty podľa schémy. Nevytvoril som súbor PCB na leptanie. Na výrobu DPS na vlastnú päsť však môžete použiť nižšie uvedený schematický súbor Eagle. V opačnom prípade použite svoju vynaliezavosť na plánovanie umiestnení a smerovanie a všetko pekne spájkujte. PCB umyte roztokom IPA (izopropylalkohol), aby ste vyčistili všetky zvyšky spájky.

Krok 6: Zostavenie krabice

Všetky rozmery, pomocou ktorých je potrebné rezať dosku MDF, hliníkové kanály, rozmery otvorov, umiestnenie otvorov a všetky sú v modeli SketchUp. Stačí otvoriť súbor v SketchUp. Zoskupil som časti dohromady, takže môžete ľahko skryť časti modelu a pomocou nástroja Merať zmerať rozmery. Všetky rozmery sú v mm alebo cm. Na vŕtanie otvorov použite 5 mm vrtáky. Vždy skontrolujte zarovnanie otvorov a ostatných dielov, aby ste sa uistili, že všetko bude ľahko ladiť. Na brúsenie povrchu MDF a hliníkových kanálov použite brúsny papier.

Po preskúmaní 3D modelu získate predstavu o tom, ako postaviť box. Môžete ho upraviť podľa svojich potrieb. Je to miesto, kde môžete naplno využiť svoju kreativitu a predstavivosť.

Na predný panel použite akrylový alebo ABS plech a vyrežte do neho otvory pomocou laserovej rezačky, ak k nej máte prístup. Ale bohužiaľ som nemal laserový stroj a jeho nájdenie by bolo únavné. Rozhodol som sa teda držať tradičného prístupu. Našiel som plastové rámy a škatule zo starých chladničiek zo šrotu. Vlastne som ich kúpil za neprimeranú cenu. Jeden z rámov bol dostatočne hrubý a plochý, aby sa dal použiť ako predný panel; nebolo to ani príliš hrubé, ani príliš tenké. Orezal som ho správnymi meraniami a vyvŕtal a vyrezal do neho otvory, aby sa doň zmestili všetky prepínače a výstupné konektory. Píla a vŕtačka boli moje hlavné nástroje.

Vzhľadom na špecifický dizajn krabice môžete mať problém s pripevnením predného panela k zvyšku krabice. Nalepil som plastové diely z plastu ABS za predné uhly a naskrutkoval som ich priamo bez toho, aby som potreboval matice. Budete musieť urobiť niečo také alebo niečo lepšie.

Na chladič som použil jeden zo starého chladiča CPU. Vyvŕtal som do neho otvory a medzi sebou na elektrickú izoláciu pripevnil všetky tri priechodné tranzistory sľudovými izolátormi (TOTO JE DÔLEŽITÉ!). Uvedomil som si, že samotný chladič by túto prácu nesplnil, neskôr som pridal chladiaci ventilátor z vonkajšej strany chladiča a pripojil ho k pomocnému 12V.

Krok 7: Maľovanie škatule

Najprv musíte brúsiť MDF brúsnym papierom s veľkosťou 300 alebo 400. Potom naneste tenkú, rovnomernú vrstvu základného náteru na drevo alebo MDF. Po dostatočnom zaschnutí prvej vrstvy naneste ďalšiu vrstvu. Opakujte to podľa svojich požiadaviek a nechajte 1 alebo 2 dni schnúť. Pred nastriekaním farby musíte základnú vrstvu obrúsiť. Maľovanie je jednoduché pomocou stlačených plechoviek s farbami.

Krok 8: Zapojenie

Dosku, ktorú ste spájkovali, pripevnite do stredu spodného listu a zaskrutkujte ju malými skrutkami do stroja a podperami medzi nimi. Použil som vodiče zo starých počítačových zdrojov, pretože sú dobrej kvality. Môžete buď spájkovať vodiče priamo s doskou, alebo použiť konektory alebo kolíkové hlavičky. PSU som vyrobil v zhone, takže som nepoužil žiadne konektory. Odporúča sa však použiť konektory vždy a všade, kde je to možné, aby bolo všetko modulárne a ľahko sa montuje a rozoberá.

Pri zapojovaní a počiatočnom testovaní som narazil na dosť podivné problémy. Prvým z nich bola nestabilita výstupu. Keď používame priechodné prvky PNP, výstup by osciloval a poskytoval znížené efektívne jednosmerné napätie na merači. Na vyriešenie tohto problému som musel pripojiť vysoko hodnotné elektrolytické kondenzátory. Ďalším problémom bol rozdiel vo výstupnom napätí na doske a na výstupných konektoroch! Stále neviem, v čom je presne problém, ale vyriešil som to tak, že som priamo na výstupné svorky spájkoval niekoľko vysoko hodnotných rezistorov, 1K, 4,7K atď. Na programovanie výstupov Aux 12V a hlavný 12V som použil hodnotu rezistora 2K (1K+1K).

Na variabilný výstup potrebujeme iba voltmetr DSN-DVM-368, pretože všetky ostatné výstupy sú pevné. Najprv musíte odpojiť (DÔLEŽITÉ!) Prepojku (prepojka 1), ako je znázornené na obrázku, a potom použiť tri vodiče podľa schémy. Voltmetr má vo vnútri už 5V regulátor. Napájanie 12V priamo do neho spôsobí nežiaduce zahrievanie. Medzi vstupom AUX 12V a Vcc voltmetra teda používame regulátor 7809, 9V. Zo 7809 som musel urobiť „plávajúci“komponent, pretože bol pridaný po spájkovaní dosky.

Krok 9: Testovanie

Pripojte SMPS s menovitým napätím medzi 15-35V a prúdom minimálne 2A k vstupu dosky pomocou DC konektora. Použil som 36V 2A SMPS so vstavanou nadprúdovou ochranou (vypnutím). Pozri vyššie uvedenú tabuľku meraní zo záťažového testu.

Regulácia zaťaženia tu nie je taká dobrá kvôli obmedzeniu výstupného výkonu SMPS, ktoré používam. Obmedzí prúd a vypnutie pri vysokých prúdoch. Nemohol som teda vykonať testy nárazového prúdu. Regulácia zaťaženia až do 14 V sa zdala byť dobrá. Ale nad 15 V nastaveného napätia (#8, #9, #10), keď pripojím záťaž, výstupné napätie sa zníži na približne 15 V s konštantným prúdom 3,24 A. Pri č. 10 je zaťažené napätie polovicou nastaveného napätia pri prúde 3,24A! Vyzeralo to teda, že môj SMPS neposkytuje dostatočný prúd na udržanie napätia na tom, čo je nastavené. Maximálny výkon, ktorý som mohol získať, bol pri #11, 58 W. Pokiaľ teda budete udržiavať nízky výstupný prúd, výstupné napätie zostane tam, kde má. Vždy sledujte napätie, prúd a teplotu chladiča, pretože tam bude rozptýlené značné množstvo energie.

Krok 10: Dokončenie

Akonáhle dokončíte testy, zostavte všetko a označte predný panel tak, ako sa vám páči. Predný panel som natrel striebornou farbou a na označenie vecí som použil permanentný fix (nie je to príjemný spôsob). Na prednú stranu som vložil samolepku, ktorú som dostal k svojmu prvému Arduinu.

Krok 11: Klady a zápory

Tento dizajn zdroja napájania má mnoho výhod a nevýhod. Vždy sa oplatí ich študovať.

Výhody

• Je ľahké navrhovať, stavať a upravovať, pretože je to lineárne regulované napájanie.
• Menej nežiaducich zvlnení na výstupe v porovnaní s bežnými jednotkami SMPS.
• Menšie rušenie EM/RF.

Nevýhody

• Nízka účinnosť - väčšina energie sa stráca ako teplo v chladičoch.
• Slabá regulácia záťaže v porovnaní s konštrukciou zdroja SMPS.
• Veľké rozmery v porovnaní s podobnými výkonovými SMPS.
• Žiadne meranie prúdu alebo obmedzenie.

Krok 12: Riešenie problémov

Digitálny multimeter je najlepší nástroj na riešenie problémov s napájaním. Pred spájkovaním pomocou breadboard skontrolujte všetky regulátory. Ak máte dve DMM, je možné merať prúd a napätie súčasne.

1. Ak na výstupe nie je napájanie, skontrolujte napätie zo vstupného kolíka, na vstupných kolíkoch regulátora a dvakrát skontrolujte, či sú pripojenia DPS správne.
2. Ak zistíte, že výstup osciluje, pridajte do blízkosti výstupných svoriek elektrolytický kondenzátor s hodnotou najmenej 47uF. Môžete ich spájkovať priamo na výstupné svorky.
3. Neskratujte výstupy a nepripájajte na výstupy záťaže s nízkou impedanciou. Mohlo by to spôsobiť zlyhanie regulátorov, pretože v našom návrhu nie je žiadne prúdové obmedzenie. Na hlavnom vstupe použite poistku s vhodnou hodnotou.

Krok 13: Vylepšenia

Toto je základný lineárny napájací zdroj. Je teda veľa vecí, ktoré môžete zlepšiť. Postavil som to v zhone, pretože som veľmi potreboval nejaký druh variabilného napájania. S pomocou tohto môžem v budúcnosti vybudovať lepší „presný digitálny napájací zdroj“. Teraz uvádzame niekoľko spôsobov, ako môžete zlepšiť súčasný dizajn,

1. Použili sme lineárne regulátory ako LM317, LM2940 atď. Ako som už povedal, tieto sú také neúčinné a nemožno ich použiť na napájanie z batérie. Čo teda môžete urobiť, je nájsť jeden z tých lacných modulov DC-DC Buck z akéhokoľvek online obchodu a nahradiť nimi lineárne regulátory. Sú efektívnejšie (> 90%), majú lepšiu reguláciu záťaže, väčšiu prúdovú kapacitu, obmedzenie prúdu, ochranu proti skratu a podobne. LM2596 je jedným z tohto druhu. Moduly Buck (step down) budú mať navrchu presný potenciometer. Môžete ho nahradiť „viacotáčkovým potenciometrom“a použiť ho na prednom paneli namiesto bežných lineárnych hrncov. To vám poskytne väčšiu kontrolu nad výstupným napätím.
2. Tu sme použili iba voltmetr, takže sme slepí k prúdu, ktorý dodáva náš zdroj. K dispozícii sú lacné meracie moduly „Napätie a prúd“. Kúpte si jeden a pridajte ho k výstupu, pre každý výstup môže byť jeden.
3. Náš dizajn neobsahuje žiadne aktuálne obmedzujúce funkcie. Skúste to teda vylepšiť pridaním funkcie obmedzujúcej prúd.
4. Ak je váš ventilátor chladiča hlučný, skúste pridať regulátor ventilátora citlivý na teplotu s možnosťou regulácie otáčok.
5. Jednoducho je možné pridať funkciu nabíjania batérie.
6. Samostatné výstupy pre testovanie LED.

Prvá cena v súťaži o napájanie