Varijabilno stono napajanje na bazi LM317: 13 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

Napajanje je nesumnjivo apsolutno neophodna oprema za bilo koji elektronički laboratorij ili svakoga tko želi raditi na projektima elektronike, posebno za varijabilno napajanje. U ovom tutorijalu pokazat ću vam kako sam izgradio LM317 napajanje zasnovano na linearnom pozitivnom regulatoru varijable 1,2-30V (1,2V do ulaznog napona-2,7V zapravo).

Ovo su značajke koje sam želio imati na svom PSU -u.

• Jedan promjenjivi izlaz s minimalnom strujom 2 A.
• Fiksni izlaz od 12 V s 2A.
• Fiksni izlaz od 5 V s 2 A.
• Fiksni izlaz od 3,3 V s 1A.
• Dva USB priključka za punjenje telefona na 1A.

Napajanje ne koristi nikakav transformator, već smanjuje konstantan ulazni napon u rasponu od 15-35V na mnogo različitih napona na izlazu. Tako da ovu jedinicu možete napajati bilo kojim SMPS-om nazivnog napona 15-35V i struje 2-5A ILI napajanjem transformatora istih specifikacija.

Korak 1: Priprema

1. Idite na https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download i preuzmite Eagle program za hvatanje shema za svoj operativni sustav.
2. Idite na https://www.sketchup.com/download i preuzmite najnoviju verziju programa SketchUp i instalirajte je.
3. Pronađite dobar SMPS s nazivnim naponom između 15-36V ILI napravite napajanje na bazi transformatora s izlaznim naponom 15-36V DC.

Korak 2: Shematski prikaz

Shema će vam dati uvid u moj plan. No, nije dizajniran za generiranje PCB datoteke kako sam obično koristio za svoje jednokratne dizajne. Tako da me nije bilo briga za pakete komponenti. Morate odabrati odgovarajuće pakete ako želite stvoriti izgled PCB -a. Postoje tri LM317 i tri TIP2955 PNP prolazna tranzistora za svaki. Svaki od tih LM317 smanjit će ulaz 36 V na programirane napone. U2 će izlaziti konstantnih 12 V, U3 će izlaziti promjenjivi napon, a U1 će proizvoditi pomoćni 12 V za ostale regulatore od 5 V i 3,3 kako bi se smanjila njihova toplina.

LM317 može dati izlaznu struju veću od 1,5A. Ali u ovom slučaju, s velikom razlikom u ulaznim i izlaznim naponima, LM317 će morati rasipati višak snage kao toplinu; toliko topline. Stoga koristimo pass elemente. Ovdje sam koristio tranzistor snage TIP2955 kao prolazni element s pozitivne strane. Možete koristiti TIP3055 ili 2N3055 kao prolazni element na negativnoj ili izlaznoj strani. No, razlog zašto sam odabrao PNP je taj što ne mijenjaju izlazni napon kao što bi to činili NPN tranzistori (izlaz će biti +0,7 V veći kada se koristi NPN). PNP tranzistori koriste se kao prolazni elementi u regulatorima niskog i ultra niskog ispadanja. Ali oni pokazuju neke probleme stabilnosti izlaza koji se mogu ublažiti dodavanjem kondenzatora na izlazu.

Otpornici od 2 W R5, R7 i R9 proizvest će dovoljan napon za pomicanje prolaznih tranzistora pri niskim strujama. Pomoćni izlaz od 12 V spojen je na ulaze tri LM2940 regulatora s iznimno niskim ispadanjem 5V 1A, od kojih se dva koriste za USB izlaze, a drugi za izlaz na prednjoj ploči. Jedan od 5V izlaza spojen je na regulator AMS1117 za izlaz 3.3V. Dakle, riječ je o serijskoj mreži različitih regulatora.

Varijabilni izlaz se uzima iz U3 kako je prikazano na shemi. Koristio sam 5K potenciometar u seriji s 1K loncem za grubo i fino podešavanje izlaznog napona. Voltmetarski modul DSN DVM-368 (vodič na mojoj web stranici) spojen je na promjenjivi izlaz za prikaz napona na prednjoj ploči. Pogledajte odjeljak "Ožičenje" da biste vidjeli izmjene na modulu voltmetra. Možete koristiti bilo koji drugi V ili A modul bez većih izmjena.

Ovdje preuzmite-p.webp

Korak 3: SketchUp 3D model

Za planiranje postavljanja konektora, prekidača itd. I dobivanje ispravnih dimenzija za rezanje MDF ploče, aluminijskog kanala itd., Prvo sam dizajnirao 3D model kutije za napajanje u SketchUpu. Sve komponente sam već imao sa sobom. Stoga je dizajn modela bio jednostavan. Koristio sam MDF ploču debljine 6 mm i aluminijske ekstruzije (kut) veličine 25 mm i debljine 2 mm. Datoteku modela SketchUp možete preuzeti pomoću donje veze.

LM317 PSU SketchUp 2014 datoteka: Preuzmite datoteku u nastavku. Možete slobodno preuzimati, mijenjati i distribuirati ovaj materijal.

Korak 4: Skupite alate i dijelove

To su potrebni materijali, alati i komponente.

Za PSU kutiju,

• MDF ploča debljine 6 mm.
• Aluminijske kutne ekstruzije - veličina 25 mm, debljina 2 mm.
• 25 mm strojni vijci s prorezom, okruglom glavom i kompatibilnim navrtkama i podloškama.
• Akrilni ili ABS lim debljine 3-4 mm.
• Stari CPU Aluminijski hladnjak i ventilator.
• PVC stopala veličine 1,5 cm.
• Mat crna boja u spreju.
• MDF temeljni premaz.

Za pločicu,

• 3x TIP2955 (paket TO-247)
• Ilulatori od tinjca za tranzistore TO-247
• 3x LM317T
• 3x LM2940
• 1x AMS1117-3.3
• 3x 2W, 100 Ohm otpornici
• 10x 100 nF keramički kondenzatori
• 6x 1N4007 dioda
• 470 uF, 40V elektrolitičke kape
• 1x 6A4 dioda
• 3x 1K otpornici
• 3x 200 Ohm otpornici
• 1x 3-4A osigurači i držači osigurača
• 100 uF, 10V elektrolitičke kape
• 1x 1K linearni potenciometar
• 1x linearni potenciometar 5K
• 2x ručice potenciometra
• 2 -pinski priključni blokovi
• Hladnjaci za TO220 pakete
• Pasta za hladnjak
• 4x SPST Toggle/poluge
• Kablovi i žice iz starih napajanja za računala
• Termoskupljajuće cijevi od 3 mm i 5 mm
• Perforirana matrica PCB
• Muški pin zaglavlja
• 2x ženski USB tip A receptori
• 4x priključci za zvučnike ILI 8x vezni stupovi
• 1x klackalica SPST/DPDT
• 4 x 3 mm/5 mm LED diode
• 1x voltmetar DSN-DVM-368
• 5x ženski DC priključci za cijev (na vijak)
• Plastični zastoji

Alati

• Noževi za pile
• Bušilica
• Svirač nosa
• Različite vrste datoteka
• Različite vrste ključeva
• Traka za mjerenje
• Crni trajni CD marker
• Mnoge vrste Philips i odvijača s utorom (kupite komplet)
• Nož i oštrice na izvlačenje
• Rotacijski alat (nije potrebno ako imate vještinu)
• Brusni papir veličine 300 i 400
• Štipaljka (za bakrene žice)
• Multimetar
• Lemilica
• Lemljena žica i fluks
• Skidači žica
• Pinceta
• I bilo koji alat koji možete pronaći.
• Zaštita od prašine za zaštitu od boje.

Korak 5: Izgradnja tiskane ploče

Izrežite ploču prema vašim zahtjevima. Zatim postavite i lemite komponente prema shemi. Nisam napravio PCB datoteku za jetkanje. No možete upotrijebiti dolje prikazanu shemu Eagle da sami napravite PCB. Inače iskoristite svoju domišljatost za planiranje položaja i usmjeravanje te sve lijepo zalemite. Operite PCB otopinom IPA (izopropilnog alkohola) kako biste očistili ostatke lemljenja.

Korak 6: Izgradnja kutije

Sve dimenzije s kojima se izrezuje MDF ploča, aluminijski kanali, dimenzije rupa, postavljanje rupa i sve su u SketchUp modelu. Samo otvorite datoteku u SketchUpu. Skupio sam dijelove zajedno, tako da možete jednostavno sakriti dijelove modela i upotrijebiti alat za mjerenje za mjerenje dimenzija. Sve dimenzije su u mm ili cm. Za bušenje rupa upotrijebite nastavke od 5 mm. Uvijek provjerite jesu li rupe i drugi dijelovi poravnani kako biste bili sigurni da se sve lako slaže. Brusnim papirom izravnajte površinu MDF i aluminijskih kanala.

Ideju o tome kako izgraditi kutiju dobit ćete nakon što pregledate 3D model. Možete ga izmijeniti prema svojim potrebama. Ovo je mjesto gdje možete maksimalno iskoristiti svoju kreativnost i maštu.

Za prednju ploču upotrijebite akrilnu ili ABS foliju i izrežite rupe u njoj laserskim rezačem ako joj možete pristupiti. No, nažalost, nisam imao laserski stroj, pa bi njegovo pronalaženje bio dosadan zadatak. Stoga sam odlučio ostati pri tradicionalnom pristupu. Našao sam plastične okvire i kutije iz starih hladnjaka iz trgovine otpadom. Zapravo, kupio sam ih po nerazumnoj cijeni. Jedan od tih okvira bio je dovoljno debeo i ravan da se može koristiti kao prednja ploča; nije bila ni pregusta ni pretanka. Izrezao sam ga s ispravnim mjerenjima i izbušio i izrezao rupe u njemu, kako bih prilagodio sve prekidače i izlazne konektore. Nožna pila i stroj za bušenje bili su mi glavni alati.

Zbog specifičnog dizajna kutije, mogli biste se suočiti s nekim problemom pričvršćivanja prednje ploče na ostatak kutije. Zalijepio sam plastične komade ABS plastike iza kutova okrenutih prema naprijed i pričvrstio ih izravno bez potrebe za maticama. Morat ćete učiniti ovako nešto ili nešto bolje.

Za hladnjak sam koristio jedan iz starog hladnjaka za CPU. Izbušio sam rupe u njemu i pričvrstio sva tri prolazna tranzistora s izolatorima od tinjca (OVO JE VAŽNO!) Za električnu izolaciju. Shvativši da sam hladnjak neće odraditi posao, kasnije sam dodao ventilator za hlađenje s vanjske strane hladnjaka i spojio ga na pomoćni 12V.

Korak 7: Slikanje kutije

Najprije morate brusiti MDF brusnim papirom veličine 300 ili 400. Zatim nanesite tanak, jednoličan sloj temeljnog premaza za drvo ili MDF temeljnog premaza. Nanesite drugi sloj nakon što se prvi sloj dovoljno osuši. Ponovite ovo prema vašim zahtjevima i ostavite da se osuši 1 ili 2 dana. Sloj temeljnog premaza morate brusiti prije nego što možete prskati boju. Slikanje je jednostavno pomoću komprimiranih limenki boje.

Korak 8: Ožičenje

Učvrstite ploču koju ste lemili u središte donjeg lima i pričvrstite je pomoću malih strojnih vijaka i razmaka između njih. Koristio sam žice starih napajanja računala jer su dobre kvalitete. Možete lemiti žice izravno na ploču ili koristiti konektore ili pin zaglavlja. Napravio sam PSU u žurbi pa nisam koristio nikakve konektore. No, preporučuje se upotreba konektora kad god je to moguće, kako bi sve bilo modularno i jednostavno za sastavljanje i rastavljanje.

Naišao sam na prilično čudne probleme tijekom ožičenja i početnog testiranja. Prva je bila nestabilnost rezultata. Kako koristimo PNP prolazne elemente, izlaz bi oscilirao dajući smanjeni efektivni istosmjerni napon na mjeraču. Morao sam spojiti elektrolitske kondenzatore velike vrijednosti kako bih riješio ovaj problem. Sljedeći problem bila je razlika u izlaznom naponu na ploči i na izlaznim konektorima! Još uvijek ne znam u čemu je točno problem, ali to sam riješio spajanjem izravno na izlazne stezaljke nekih otpornika velike vrijednosti, 1K, 4.7K itd. Koristio sam 2K (1K+1K) vrijednost otpornika za programiranje Aux 12V i glavnih 12V izlaza.

Voltmetar DSN-DVM-368 potreban nam je samo za promjenjivi izlaz jer su svi ostali izlazi fiksni. Najprije morate odspojiti (VAŽNO!) Kratkospojnik (Kratkospojnik 1) kao što je prikazano na slici, a zatim upotrijebite tri žice kao na shemi. Voltmetar već ima regulator 5V unutra. Dovođenje 12V izravno na njega uzrokovat će neželjeno zagrijavanje. Stoga koristimo regulator 7809, 9V između AUX 12V i Vcc ulaza voltmetra. Morao sam od 7809 napraviti "plutajuću" komponentu jer je dodana nakon što sam lemio ploču.

Korak 9: Testiranje

Spojite SMPS s naponom između 15-35V i strujom od minimalno 2A, na ulaz ploče kroz DC bačvastu utičnicu. Koristio sam 36V 2A SMPS sa ugrađenom zaštitom od prevelike struje (isključivanje). Vidi tablicu mjerenja iz testa opterećenja.

Ovdje regulacija opterećenja nije tako dobra zbog ograničenja izlazne snage SMPS -a koji koristim. Ograničit će struju i isključiti se pri visokim strujama. Tako da nisam mogao provesti ispitivanja strujne struje. Do 14 V, regulacija opterećenja činila se dobrom. Ali iznad postavljenog napona od 15 V (#8, #9, #10), kad priključim opterećenje, izlazni napon će se smanjiti na oko 15 V s konstantnom strujom od 3,24A. Na #10, opterećeni napon je polovica postavljenog napona pri struji 3,24A! Tako je izgledalo kao da moj SMPS ne daje dovoljno struje da zadrži napon na postavljenom. Maksimalna snaga koju sam uspio dobiti bila je na #11, od 58W. Dakle, sve dok izlaznu struju držite niskom, izlazni napon će ostati tamo gdje bi trebao. Uvijek pripazite na napon, struju i temperaturu hladnjaka jer će se tamo rasipati značajna količina energije.

Korak 10: Završetak

Nakon što završite testove, sastavite sve i označite prednju ploču kako želite. Prednju ploču sam obojao srebrnom bojom i upotrijebio trajni marker za označavanje stvari (nije zgodan način za to). Na prednju sam stranu stavio DIY naljepnicu koju sam dobio s prvim Arduinom.

Korak 11: Za i protiv

Ovaj dizajn izvora napajanja ima mnoge prednosti, ali i nedostatke. Uvijek ih vrijedi proučiti.

Prednosti

• Lako se dizajnira, gradi i modificira jer je linearno regulirano napajanje.
• Manje neželjenih valova na izlazu u usporedbi s običnim SMPS jedinicama.
• Manje EM/RF smetnji.

Nedostaci

• Loša učinkovitost - većina energije se troši kao toplina na hladnjacima.
• Loša regulacija opterećenja u odnosu na SMPS dizajn napajanja.
• Velike veličine u usporedbi sa SMPS -ovima slične snage.
• Nema mjerenja ili ograničenja struje.

Korak 12: Rješavanje problema

Digitalni multimetar najbolji je alat za rješavanje problema s napajanjem. Prije lemljenja pomoću matične ploče provjerite sve regulatore. Ako imate dva DMM -a, moguće je istodobno mjeriti struju i napon.

1. Ako nema napajanja na izlazu, provjerite napone s ulaznog pina, na ulaznim pinovima regulatora i dvaput provjerite jesu li spojevi na tiskanoj ploči ispravni.
2. Ako utvrdite da izlaz oscilira, dodajte elektrolitski kondenzator vrijednosti najmanje 47uF u blizini izlaznih priključaka. Možete ih lemiti izravno na izlazne priključke.
3. Ne skraćujte izlaze i ne priključujte opterećenje s niskom impedansom. To bi moglo uzrokovati kvar regulatora jer u našem dizajnu nema ograničenja struje. Upotrijebite osigurač odgovarajuće vrijednosti na glavnom ulazu.

Korak 13: Poboljšanja

Ovo je osnovno linearno napajanje. Dakle, postoji mnogo toga što možete poboljšati. Napravio sam ovo u žurbi jer mi je jako trebala neka vrsta promjenjivog napajanja. Uz pomoć toga, u budućnosti mogu izgraditi bolje "Precizno digitalno napajanje". Evo nekoliko načina na koje možete poboljšati trenutni dizajn,

1. Koristili smo linearne regulatore poput LM317, LM2940 itd. Kao što sam već rekao, oni su toliko neučinkoviti i ne mogu se koristiti za postavljanje na baterije. Dakle, ono što možete učiniti je pronaći bilo koji od onih jeftinih DC-DC novčanih modula u bilo kojoj internetskoj trgovini i zamijeniti linearne regulatore njima. Oni su učinkovitiji (> 90%), imaju bolju regulaciju opterećenja, veće mogućnosti struje, ograničavanje struje, zaštitu od kratkog spoja i sve to. LM2596 je jedna od te vrste. Moduli dolara (korak dolje) će imati precizni potenciometar na vrhu. Možete ga zamijeniti "potenciometrom sa više zavoja" i koristiti ga na prednjoj ploči umjesto normalnih linearnih posuda. To će vam dati veću kontrolu nad izlaznim naponom.
2. Ovdje smo koristili samo voltmetar, pa smo slijepi o struji koju napaja naše napajanje. Dostupni su jeftini mjerni moduli "Napon i struja". Kupite jedan i dodajte u izlaz, može biti jedan za svaki izlaz.
3. U našem dizajnu nema značajki ograničavanja struje. Zato ga pokušajte poboljšati dodavanjem funkcije ograničavanja struje.
4. Ako je vaš hladnjak ventilator bučan, pokušajte dodati regulator temperature osjetljiv na temperaturu koji može imati kontrolu brzine.
5. Lako se može dodati funkcija punjenja baterije.
6. Odvojeni izlazi za LED testiranje.

Prva nagrada na natjecanju za napajanje