Sursă de alimentare variabilă pe bază de bricolaj LM317: 13 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

O sursă de alimentare este, fără îndoială, un echipament absolut necesar pentru orice laborator de electronică sau pentru oricine dorește să facă proiecte de electronică, în special o sursă de alimentare variabilă. În acest tutorial vă voi arăta cum am construit o sursă de alimentare variabilă bazată pe regulatorul pozitiv LM317 1.2-30V (1,2V la tensiunea de intrare-2,7V de fapt).

Acestea sunt caracteristicile pe care am vrut să le aibă alimentatorul meu.

• O ieșire variabilă cu curent minim 2 A.
• S-a fixat ieșirea de 12 V cu 2A.
• Ieșire fixă de 5 V cu 2 A.
• S-a rezolvat ieșirea de 3,3 V cu 1A.
• Două porturi USB pentru încărcarea telefoanelor la 1A.

Sursa de alimentare nu folosește niciun transformator, ci reduce tensiunea de intrare constantă în intervalul 15-35V la multe tensiuni diferite la ieșire. Deci, puteți alimenta această unitate cu orice SMPS cu o tensiune nominală 15-35V și curent 2-5A SAU o sursă de transformator cu aceleași specificații.

Pasul 1: Pregătirea

1. Accesați https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download și descărcați software-ul de captare schematică Eagle pentru sistemul dvs. de operare.
2. Accesați https://www.sketchup.com/download și descărcați cea mai recentă versiune a SketchUp și instalați-o.
3. Găsiți un SMPS bun cu o tensiune nominală între 15-36V SAU realizați o sursă de transformare cu tensiune de ieșire 15-36V DC.

Pasul 2: Schematic

Schema vă va oferi o perspectivă asupra planului meu. Dar nu a fost conceput pentru a genera un fișier PCB, așa cum am de obicei perfboard pentru proiectele mele one-off. Deci nu mi-a păsat de pachetele componente. Trebuie să selectați pachetele corespunzătoare dacă doriți să creați un aspect PCB. Există trei LM317 și trei tranzistoare PNP TIP2955 pentru fiecare. Fiecare dintre aceste LM317 va reduce intrarea de 36V la tensiunile programate. U2 va produce o tensiune constantă de 12V, U3 va produce o tensiune variabilă și U1 va produce un auxiliar 12V pentru alte regulatoare de 5V și 3.3, astfel încât să reducă căldura disipată de acestea.

LM317 poate furniza curent de ieșire mai mare de 1,5A. Dar, în acest caz, cu diferențe mari în tensiunile de intrare și ieșire, LM317 va trebui să disipeze puterea în exces ca căldură; atata caldura. Deci, folosim elemente de trecere. Aici am folosit tranzistorul de putere TIP2955 ca element de trecere pe partea pozitivă. Puteți utiliza TIP3055 sau 2N3055 ca element de trecere pe partea negativă sau pe partea de ieșire. Dar motivul pentru care am ales cele PNP este pentru că nu modifică tensiunea de ieșire așa cum ar face tranzistoarele NPN (ieșirea va fi cu + 0,7V mai mare atunci când se utilizează NPN). Tranzistoarele PNP sunt utilizate ca elemente de trecere în regulatoarele de abandon scăzut și ultra-scăzut. Dar prezintă unele probleme de stabilitate a ieșirii, care pot fi atenuate prin adăugarea de condensatori la ieșire.

Rezistoarele de 2W R5, R7 și R9 vor produce suficientă tensiune pentru a polariza tranzistoarele de trecere la curenți mici. Ieșirea auxiliară de 12V este conectată la intrările a trei regulatoare LM2940 de retragere ultra-joasă 5V 1A, dintre care două sunt utilizate pentru ieșiri USB, iar cealaltă este pentru ieșirea panoului frontal. Una dintre ieșirile de 5V este conectată la un regulator AMS1117 pentru ieșirea de 3,3V. Deci este o rețea serie de regulatori diferiți.

Ieșirea variabilă este preluată din U3 așa cum se arată în schemă. Am folosit un potențiometru de 5K în serie cu o oală de 1K pentru a avea o ajustare grosieră și fină a tensiunii de ieșire. Un modul voltmetru DSN DVM-368 (tutorial pe site-ul meu web) este conectat la ieșirea variabilă pentru a afișa tensiunea pe panoul frontal. Consultați secțiunea „Cablare” pentru a vedea modificările care trebuie făcute la modulul voltmetrului. Puteți utiliza orice alte module V sau A fără prea multe modificări.

Descărcați imaginea-p.webp

Pasul 3: Model 3D SketchUp

Pentru a planifica amplasarea conectorilor, comutatoarelor etc. și pentru a obține dimensiuni corecte pentru tăierea plăcii MDF, canalului din aluminiu etc., am proiectat mai întâi un model 3D al cutiei PSU în SketchUp. Aveam deja toate componentele la mine. Așadar, proiectarea modelului a fost ușoară. Am folosit plăci din MDF cu grosimea de 6 mm și extrudări din aluminiu (unghi) de dimensiunea 25 mm și grosimea de 2 mm. Puteți descărca fișierul model SketchUp folosind linkul de mai jos.

Fișier LM317 PSU SketchUp 2014: Descărcați fișierul de mai jos. Sunteți liber să descărcați, să modificați și să redistribuiți acest material.

Pasul 4: Strângeți instrumente și piese

Acestea sunt materialul, instrumentele și componentele necesare.

Pentru cutia PSU,

• Placă MDF cu grosimea de 6 mm.
• Extrudări unghiulare din aluminiu - dimensiune 25 mm, grosime 2 mm.
• Șuruburi de mașină de 25 mm cu cap rotund și cu fante, piulițe și șaibe compatibile.
• Foaie acrilică sau ABS cu grosime 3-4 mm.
• Radiator și ventilator vechi din aluminiu CPU.
• Picioare din PVC de dimensiunea 1,5 cm.
• Vopsea spray neagră mată.
• Grund MDF.

Pentru placa de circuit,

• 3x TIP2955 (pachet TO-247)
• Izolatori de mica pentru tranzistori TO-247
• 3x LM317T
• 3x LM2940
• 1x AMS1117-3.3
• Rezistențe 3x 2W, 100 Ohm
• Condensatoare ceramice 10x 100 nF
• 6x diode 1N4007
• 470 uF, capace electrolitice de 40V
• 1x diodă 6A4
• 3x rezistențe 1K
• Rezistențe de 3x 200 Ohm
• 1x siguranțe 3-4A și suporturi de siguranțe
• Capace electrolitice de 100 uF, 10V
• 1x potențiometru liniar 1K
• 1x potențiometru liniar 5K
• 2 butoane pentru potențiometru
• Blocuri terminale cu 2 pini
• Radiatoare pentru pachetele TO220
• Pasta pentru radiator
• 4x comutatoare SPST Toggle / Lever
• Cabluri și fire de la sursele de alimentare vechi ale computerului
• Tuburi termocontractabile de 3mm și 5mm
• PCB matriceal perforat
• Anteturi pin masculin
• 2x Femei USB tip A receptori
• 4x conectori pentru difuzoare SAU 8x stâlpi de legare
• 1x comutator basculant SPST / DPDT
• 4x LED-uri de 3mm / 5mm
• 1x DSN-DVM-368 voltmetru
• 5x conectori cilindri DC femelă (înșurubabili)
• Distanțe din plastic

Instrumente

• Lame pentru ferăstrău
• Masina de gaurit
• Nose player
• Diferite tipuri de fișiere
• Diferite tipuri de chei
• Bandă de măsurare
• Marker negru permanent pe CD
• Multe tipuri de Philips și șurubelnițe cu fante (cumpărați un kit)
• Cuțit și lame retractabile
• Instrument rotativ (nu este necesar dacă aveți abilități)
• Hârtii de nisip de dimensiuni 300 și 400
• Nipper (pentru fire de cupru)
• Multimetru
• Ciocan de lipit
• Sârmă de lipit și flux
• Decapanti de sârmă
• Pensetă
• Și orice instrument pe care îl puteți găsi.
• Mască de poluare / praf pentru a se proteja de vopsea.

Pasul 5: Construirea plăcii de circuit

Tăiați panoul de perfecționare conform cerințelor dvs. Apoi plasați și lipiți componentele conform schemei. Nu am făcut un fișier PCB pentru gravare. Dar puteți utiliza fișierul schematic Eagle de mai jos pentru a crea un PCB pe cont propriu. În caz contrar, folosiți-vă ingeniozitatea pentru a planifica destinațiile de plasare și rutare și lipiți totul frumos. Spălați PCB-ul cu soluție IPA (alcool izopropilic) pentru a curăța orice reziduu de lipit.

Pasul 6: Construirea cutiei

Toate dimensiunile cu care trebuie tăiate placa MDF, canalele din aluminiu, dimensiunile găurilor, amplasările găurilor și toate sunt în modelul SketchUp. Doar deschideți fișierul în SketchUp. Am grupat părți, astfel încât să puteți ascunde cu ușurință părți ale modelului și să utilizați instrumentul Măsurare pentru a măsura dimensiunile. Toate dimensiunile sunt în mm sau cm. Utilizați biți de 5 mm pentru găurirea găurilor. Verificați întotdeauna alinierea găurilor și a altor piese pentru a vă asigura că totul se va potrivi cu ușurință. Folosiți hârtie de nisip pentru a netezi suprafața canalelor din MDF și aluminiu.

Veți avea ideea de a construi cutia după ce examinați modelul 3D. Puteți să-l modificați conform nevoilor dvs. Acesta este un loc în care vă puteți folosi creativitatea și imaginația la maximum.

Pentru panoul frontal, utilizați foaie acrilică sau ABS și tăiați găuri în ea folosind un tăietor cu laser, dacă puteți accesa unul. Dar, din păcate, nu am avut un aparat cu laser și găsirea unuia ar fi o sarcină plictisitoare. Așa că am decis să rămân cu abordarea tradițională. Am găsit rame și cutii din plastic de la frigidere vechi de la un magazin de deșeuri. De fapt, le-am cumpărat la un preț nerezonabil. Unul din acel cadru era suficient de gros și de plat pentru a putea fi folosit ca panou frontal; nu era prea gros, nici prea subțire. L-am tăiat cu măsurători corecte și am forat și am tăiat găuri în el, pentru a găzdui toate întrerupătoarele și conectorii de ieșire. Un ferăstrău și o mașină de găurit au fost principalele mele instrumente.

Datorită designului specific al cutiei, este posibil să vă confruntați cu unele probleme la atașarea panoului frontal la restul cutiei. Am lipit bucăți de plastic din plastic ABS în spatele unghiurilor orientate spre față și le-am înșurubat direct fără a fi nevoie de piulițe. Va trebui să faceți așa ceva sau ceva mai bun.

Pentru radiator, am folosit unul de la un răcitor de CPU vechi. Am făcut găuri în el și am atașat toate cele trei tranzistoare de trecere cu izolatori de mica (ASTA ESTE IMPORTANT!) Între ele pentru izolare electrică. Realizând că radiatorul singur nu ar face treaba, am adăugat ulterior un ventilator de răcire din exteriorul radiatorului și l-am conectat la 12V auxiliar.

Pasul 7: Vopsirea cutiei

Mai întâi trebuie să șlefuiți MDF cu șmirghel de dimensiuni 300 sau 400. Apoi aplicați un strat subțire și uniform de grund pentru lemn sau grund MDF. Aplicați un alt strat după ce primul strat este suficient de uscat. Repetați acest lucru conform cerințelor dvs. și lăsați-l să se usuce timp de 1 sau 2 zile. Trebuie să șlefuiți stratul de grund înainte de a putea pulveriza vopseaua. Vopsirea este ușoară folosind cutii de vopsea comprimate.

Pasul 8: Cablare

Fixați placa pe care ați lipit-o în centrul foii de jos și înșurubați-o folosind șuruburi mici pentru mașină și distanțe între ele. Am folosit fire de la surse vechi de alimentare pentru computer, deoarece sunt de bună calitate. Puteți să lipiți firele direct pe placă sau să utilizați conectori sau anteturi pin. Am făcut alimentatorul în grabă, așa că nu am folosit niciun conector. Dar se recomandă utilizarea conectorilor ori de câte ori și ori de câte ori este posibil, pentru a face totul modular și ușor de asamblat și dezasamblat.

Am întâmpinat câteva probleme destul de ciudate în timpul cablării și testării inițiale. Primul a fost instabilitatea rezultatului. Deoarece folosim elemente de trecere PNP, ieșirea ar oscila dând o tensiune continuă efectivă redusă pe contor. A trebuit să conectez condensatori electrolitici de mare valoare pentru a remedia această problemă. Următoarea problemă a fost diferența de tensiune de ieșire în placă și la conectorii de ieșire! Încă nu știu care este exact problema, dar am rezolvat acest lucru prin lipirea unor rezistențe de mare valoare, 1K, 4.7K etc., la terminalele de ieșire direct. Am folosit valoarea rezistenței 2K (1K + 1K) pentru a programa ieșirile Aux 12V și principale 12V.

Avem nevoie doar de voltmetrul DSN-DVM-368 pentru ieșirea variabilă, deoarece toate celelalte ieșiri sunt fixe. Mai întâi trebuie să deconectați (IMPORTANT!) Jumperul (jumperul 1) așa cum se arată în figură, apoi utilizați cele trei fire ca în schemă. Voltmetrul are deja un regulator de 5V în interior. Alimentarea directă cu 12V va provoca încălzire nedorită. Deci, folosim un regulator 7809, 9V între intrarea AUX 12V și Vcc a voltmetrului. A trebuit să fac din 7809 o componentă „plutitoare”, deoarece a fost adăugată după ce am lipit placa.

Pasul 9: Testarea

Conectați un SMPS cu o tensiune nominală cuprinsă între 15-35V și curent de minim 2A, la intrarea plăcii printr-o mufă cilindrică DC. Am folosit SMV 36V 2A cu protecție la supracurent (oprire) încorporată. Vezi mai sus tabelul de măsurători de la testul de sarcină.

Reglarea încărcării aici nu este atât de bună datorită limitării puterii de ieșire a SMPS-ului pe care îl folosesc. Va limita curentul și oprirea la curenți mari. Deci nu am putut efectua teste de supratensiune. Până la 14V, reglarea sarcinii părea bună. Dar peste tensiunea setată de 15V (# 8, # 9, # 10), când conectez sarcina, tensiunea de ieșire se va diminua la aproximativ 15V cu un curent constant de 3.24A. La # 10, tensiunea încărcată este jumătate din tensiunea setată la 3.24A curent! Deci, se părea că SMPS-ul meu nu furniza suficient curent pentru a menține tensiunea la ceea ce este setat. Puterea maximă pe care am putut să o obțin a fost la # 11, de 58W. Deci, atâta timp cât mențineți curentul de ieșire scăzut, tensiunea de ieșire va rămâne acolo unde ar trebui. Urmăriți întotdeauna tensiunea, curentul și temperatura radiatorului, deoarece o cantitate semnificativă de energie va fi disipată acolo.

Pasul 10: Finalizare

După ce terminați testele, asamblați totul și etichetați panoul frontal așa cum doriți. Am vopsit panoul frontal cu vopsea argintie și am folosit un marker permanent pentru etichetarea lucrurilor (nu o modalitate frumoasă de a face). Am pus un autocolant DIY pe care l-am obținut cu primul meu Arduino, pe față.

Pasul 11: Pro și Contra

Există multe avantaje și, de asemenea, dezavantaje ale acestui design de alimentare. Întotdeauna merită să le studiezi.

Avantaje

• Ușor de proiectat, construit și modificat, deoarece este o sursă de alimentare cu reglare liniară.
• Riduri mai puțin nedorite la ieșire comparativ cu unitățile SMPS obișnuite.
• Se produce mai puține interferențe EM / RF.

Dezavantaje

• Eficiență slabă - cea mai mare parte a energiei este irosită ca căldură la radiatoare.
• Reglare slabă a sarcinii în comparație cu proiectarea sursei de alimentare SMPS.
• De dimensiuni mari, comparativ cu SMPS-urile similare.
• Fără măsurare sau limitare a curentului.

Pasul 12: Depanare

Un multimetru digital este cel mai bun instrument pentru depanarea problemelor de alimentare. Verificați toate regulatoarele înainte de a lipi folosind o panou. Dacă aveți două DMM-uri, atunci este posibil să măsurați curentul și tensiunea simultan.

1. Dacă nu există curent la ieșire, verificați tensiunile de la pinul de intrare, la pinii de intrare a regulatorului și verificați dacă conexiunile PCB sunt corecte.
2. Dacă găsiți că ieșirea este oscilantă, adăugați un condensator electrolitic de valoare nu mai mică de 47uF lângă terminalele de ieșire. Le puteți lipi direct la terminalele de ieșire.
3. Nu scurtcircuitați ieșirile și nu conectați sarcină cu impedanță redusă la ieșiri. Ar putea provoca eșecul regulatorilor, deoarece nu există nicio limitare a curentului în proiectarea noastră. Utilizați o siguranță cu valoare adecvată la intrarea principală.

Pasul 13: Îmbunătățiri

Aceasta este o sursă de alimentare liniară de bază. Deci, puteți îmbunătăți multe. Am construit asta în grabă pentru că aveam nevoie de un fel de sursă de alimentare variabilă atât de mult. Cu ajutorul acestui lucru, voi putea construi o „sursă digitală de precizie digitală” mai bună în viitor. Iată câteva modalități prin care puteți îmbunătăți designul actual,

1. Am folosit regulatoare liniare precum LM317, LM2940 etc. Așa cum am spus mai înainte, acestea sunt atât de ineficiente și nu pot fi utilizate pentru o configurație alimentată cu baterie. Deci, ceea ce puteți face este să găsiți unul dintre acele module ieftine DC-DC de la orice magazin online și înlocuiți regulatoarele liniare cu ele. Sunt mai eficiente (> 90%), au o reglare mai bună a sarcinii, o capacitate mai mare de curent, limitarea curentului, protecție la scurtcircuit și toate acestea. LM2596 este unul de acest gen. Modulele Buck (step down) vor avea un potențiometru de precizie deasupra. Puteți să-l înlocuiți cu un „potențiometru multi-turn” și să-l utilizați pe panoul frontal în locul vaselor liniare normale. Acest lucru vă va oferi mai mult control asupra tensiunii de ieșire.
2. Aici am folosit doar un voltmetru, așa că suntem orbi în legătură cu curentul pe care îl furnizează alimentatorul nostru. Există module de măsurare ieftine "Tensiune și curent" ieftine. Cumpărați unul și adăugați la ieșire, poate fi unul pentru fiecare ieșire.
3. Nu există nicio caracteristică limitativă actuală în designul nostru. Deci, încercați să o îmbunătățiți adăugând o funcție de limitare curentă.
4. Dacă ventilatorul radiatorului dvs. este zgomotos, încercați să adăugați un controler al ventilatorului sensibil la temperatură, poate fi cu controlul vitezei.
5. O funcție de încărcare a bateriei poate fi adăugată cu ușurință.
6. Ieșiri separate pentru testarea LED-urilor.

Premiul I la Concursul de alimentare cu energie electrică