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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:09

Napajanje je nesumnjivo apsolutno neophodna oprema za bilo koju laboratoriju elektronike ili svakoga ko 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 promjenljivog 1.2-30V (od 1.2V do ulaznog napona-zapravo 2.7V).

Ovo su karakteristike koje sam želio da ima moja PSU.

• Jedan promenljivi izlaz sa minimalnom strujom 2 A.
• Fiksni izlaz od 12 V sa 2A.
• Fiksni izlaz od 5 V sa 2 A.
• Fiksni izlaz od 3,3 V sa 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 možete napajati ovu jedinicu 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 vaš operativni sistem.
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: Shema

Shema će vam dati uvid u moj plan. Ali nije dizajniran za generiranje PCB datoteke kao što 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 tranzistor za svaki. Svaki od ovih LM317 će smanjiti ulaz 36 V na programirane napone. U2 će izlaziti konstantnih 12 V, U3 će izlaziti promjenjivi napon, a U1 će proizvoditi pomoćnih 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 energije kao toplinu; toliko toplote. Zato koristimo pass elemente. Ovdje sam koristio tranzistor snage TIP2955 kao prolazni element sa pozitivne strane. Možete koristiti TIP3055 ili 2N3055 kao prolazni element na negativnoj ili izlaznoj strani. Ali 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 se koriste kao prolazni elementi u regulatorima niskog i ultra niskog ispadanja. Ali oni pokazuju neka pitanja stabilnosti izlaza koja se mogu ublažiti dodavanjem kondenzatora na izlazu.

Otpornici od 2 W R5, R7 i R9 proizvest će dovoljan napon za pomak prolaznih tranzistora pri niskim strujama. Pomoćni izlaz od 12 V spojen je na ulaze tri LM2940 ultra niskog prekidača 5V 1A regulatora, 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, radi se o serijskoj mreži različitih regulatora.

Varijabilni izlaz se uzima iz U3 kako je prikazano na shemi. Koristio sam 5K potenciometar u seriji sa 1K loncem za grubo i fino podešavanje izlaznog napona. Voltmetarski modul DSN DVM-368 (vodič na mojoj web stranici) spojen je na varijabilni izlaz za prikaz napona na prednjoj ploči. Pogledajte odjeljak "Ožičenje" kako 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

Da bih planirao postavljanje konektora, prekidača itd. I da bih dobio ispravne dimenzije 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 dizajniranje modela bilo jednostavno. 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 ispod. 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)
• Ilulator 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 osigurači i držači osigurača 3-4A
• 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 računara
• Termoskupljajuće cijevi od 3 mm i 5 mm
• Perforirana matrica PCB
• Muški pin zaglavlja
• 2x ženski USB tip A receptora
• 4x priključci za zvučnike ILI 8x vezni stupovi
• 1x klizni prekidač SPST/DPDT
• 4x 3 mm/5 mm LED diode
• 1x voltmetar DSN-DVM-368
• 5x ženski DC konektor (na vijak)
• Plastični zastoji

Alati

• Noževi za pile
• Bušilica
• Nosač
• Različite vrste datoteka
• Različite vrste ključeva
• Mjerna traka
• Crni trajni CD marker
• Mnoge vrste Philips i odvijača s prorezima (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
• Strojevi za skidanje žice
• Pinceta
• I bilo koji alat koji možete pronaći.
• Zaštita od prašine za zaštitu od boje.

Korak 5: Izgradnja tiskane ploče

Izrežite ploču prema vašim potrebama. Zatim postavite i lemite komponente prema shemi. Nisam napravio PCB datoteku za jetkanje. Ali možete koristiti dolje prikazanu shemu Eagle da sami napravite PCB. U suprotnom, 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. Grupirao sam dijelove zajedno, tako da možete lako sakriti dijelove modela i upotrijebiti alat za mjerenje za mjerenje dimenzija. Sve dimenzije su u mm ili cm. Za bušenje rupa koristite 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 kada pregledate 3D model. Možete ga izmijeniti prema svojim potrebama. Ovo je mjesto na kojem 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. Ali nažalost nisam imao lasersku mašinu i pronaći bi je bio dosadan zadatak. Stoga sam odlučio ostati pri tradicionalnom pristupu. Našao sam plastične okvire i kutije iz starih frižidera iz trgovine otpadom. Zapravo, kupio sam ih po nerazumnoj cijeni. Jedan od okvira je bio dovoljno debeo i ravan da se može koristiti kao prednja ploča; nije bila previše gusta niti pretanka. Izrezao sam ga pravilnim 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 prednjih kutova i pričvrstio ih direktno bez potrebe za matice. Morat ćete učiniti ovako nešto ili nešto bolje.

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

Korak 7: Slikanje kutije

Prvo morate brusiti MDF brusnim papirom veličine 300 ili 400. Zatim nanesite tanak, ujednačen sloj temeljnog premaza za drvo ili MDF prajmera. Nanesite drugi sloj nakon što se prvi sloj dovoljno osuši. Ponovite ovo prema vašim potrebama i ostavite da se osuši 1 ili 2 dana. Sloj temeljnog premaza morate brusiti da biste mogli prskati boju. Slikanje je jednostavno pomoću komprimiranih limenki za boju.

Korak 8: Ožičenje

Učvrstite ploču koju ste lemili u središte donjeg lista i pričvrstite je pomoću malih strojnih vijaka i razmaka između njih. Koristio sam žice starih napajanja računara jer su dobre kvalitete. Možete ili lemiti žice direktno na ploču ili koristiti konektore ili pin zaglavlja. Napravio sam PSU u žurbi pa nisam koristio nikakve konektore. Ali 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 prilikom ožičenja i početnog testiranja. Prva je bila nestabilnost izlaza. 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 je bila razlika u izlaznom naponu na ploči i na izlaznim konektorima! Još uvijek ne znam u čemu je točno problem, ali to sam riješio lemljenjem nekih otpornika velike vrijednosti, 1K, 4.7K itd., Direktno na izlazne stezaljke. Koristio sam 2K (1K+1K) vrijednost otpornika za programiranje Aux 12V i glavnih 12V izlaza.

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

Korak 9: Testiranje

Spojite SMPS s nazivnim naponom između 15-35V i strujom od minimalno 2A, na ulaz ploče putem istosmjerne utičnice. Koristio sam 36V 2A SMPS sa ugrađenom zaštitom od prevelike struje (isključivanje). Pogledajte tabelu merenja 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 izgledala je dobro. Ali iznad postavljenog napona od 15 V (#8, #9, #10), kada priključim opterećenje, izlazni napon će se smanjiti na oko 15 V sa konstantnom strujom od 3,24A. Na #10, napon opterećenja je polovina podešenog napona na struji 3,24A! Izgledalo je 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: Završavanje

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 lijep način za to). Na prednju stranu sam 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 talasanja na izlazu u odnosu na obične SMPS jedinice.
• Manje EM/RF smetnji.

Nedostaci

• Loša efikasnost - 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 istovremeno mjeriti struju i napon.

1. Ako nema napajanja na izlazu, provjerite napone s ulaznog pina, na ulaznim pinovima regulatora i dvaput provjerite jesu li veze na PCB -u ispravne.
2. Ako utvrdite da izlaz oscilira, dodajte elektrolitički kondenzator vrijednosti najmanje 47uF u blizini izlaznih priključaka. Možete ih lemiti direktno na izlazne priključke.
3. Ne skraćujte izlaze i ne povezujte opterećenje s niskom impedansom. To bi moglo uzrokovati kvar regulatora jer u našem dizajnu nema ograničenja struje. Koristite osigurač odgovarajuće vrijednosti na glavnom ulazu.

Korak 13: Poboljšanja

Ovo je osnovno linearno napajanje. Dakle, mnogo toga možete poboljšati. Napravio sam ovo u žurbi jer mi je bila potrebna neka vrsta promjenjivog napajanja. Uz pomoć ovoga, 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 modula u bilo kojoj internetskoj trgovini i zamijeniti linearne regulatore njima. Učinkovitiji su (> 90%), imaju bolju regulaciju opterećenja, veće mogućnosti struje, ograničavanje struje, zaštitu od kratkog spoja i sve to. LM2596 je jedna od te vrste. Moduli u obliku dolara (korak dolje) će imati precizni potenciometar na vrhu. Možete ga zamijeniti "potenciometrom sa više okreta" i koristiti ga na prednjoj ploči umjesto uobičajenih linearnih lonaca. To će vam dati veću kontrolu nad izlaznim naponom.
2. Ovdje smo koristili samo voltmetar, pa smo slijepi o struji koju napaja naša napajanja. 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 pokušajte to poboljšati dodavanjem trenutne funkcije ograničavanja.
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 takmičenju za napajanje