LM317 temelječi DIY spremenljivi namizni napajalnik: 13 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:08

Napajalnik je nedvomno nujna oprema vsakega elektronskega laboratorija ali vsakogar, ki se želi ukvarjati z elektronskimi projekti, še posebej s spremenljivim napajanjem. V tej vadnici vam bom pokazal, kako sem zgradil napajalnik na osnovi linearnega pozitivnega regulatorja LM317 1,2-30 V (1,2 V do vhodne napetosti-dejansko 2,7 V).

To so funkcije, ki sem jih želel imeti v svojem napajalniku.

• En spremenljiv izhod z minimalnim tokom 2 A.
• Fiksni 12 V izhod z 2A.
• Fiksni izhod 5 V z 2 A.
• Fiksni izhod 3,3 V z 1A.
• Dva USB vhoda za polnjenje telefonov pri 1A.

Napajalnik ne uporablja nobenega transformatorja, namesto tega zmanjša konstantno vhodno napetost v območju 15-35V na veliko različnih napetosti na izhodu. Tako lahko napajate to enoto s katerim koli SMPS z nazivno napetostjo 15-35V in tokom 2-5A ALI napajalnikom z enakimi specifikacijami.

1. korak: Priprava

1. Pojdite na https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download in prenesite programsko opremo za zajem shematskih shem Eagle za vaš operacijski sistem.
2. Pojdite na https://www.sketchup.com/download in prenesite najnovejšo različico programa SketchUp ter jo namestite.
3. Poiščite dober SMPS z nazivno napetostjo med 15-36V ALI izvedite napajanje na osnovi transformatorja z izhodno napetostjo 15-36V DC.

2. korak: Shema

Shema vam bo dala vpogled v moj načrt. Vendar ni bil zasnovan za ustvarjanje datoteke PCB, kot ponavadi delam za svoje edinstvene modele. Zato mi ni bilo mar za pakete komponent. Če želite ustvariti postavitev tiskanega vezja, morate izbrati ustrezne pakete. Za vsakega so trije tranzistorji LM317 in tri TIP2955 PNP. Vsak od teh LM317 bo zmanjšal vhod 36V na programirane napetosti. U2 bo oddajal konstantno 12V, U3 bo oddajal spremenljivo napetost, U1 pa bo proizvajal pomožni 12V za druge regulatorje 5V in 3.3, da se zmanjša njihova toplota.

LM317 lahko zagotovi izhodni tok nad 1,5A. Toda v tem primeru bo moral LM317 z veliko razliko v vhodni in izhodni napetosti preseči moč kot toploto; toliko toplote. Zato uporabljamo elemente prehoda. Tu sem kot pozitivni element uporabil močnostni tranzistor TIP2955. Kot prehodni element na negativni strani ali na izhodni strani lahko uporabite TIP3055 ali 2N3055. Toda razlog, da sem se odločil za PNP, je, ker ne spreminjajo izhodne napetosti, kot bi to storili tranzistorji NPN (izhod bo pri uporabi NPN +0,7 V višji). Tranzistorji PNP se uporabljajo kot prehodni elementi pri regulatorjih z nizkim in izredno nizkim osipom. Vendar pa kažejo nekatere težave s stabilnostjo izhoda, ki jih je mogoče ublažiti z dodajanjem kondenzatorjev na izhodu.

2W upori R5, R7 in R9 bodo ustvarili dovolj napetosti, da bodo prehodni tranzistorji premaknjeni pri nizkih tokovih. Pomožni 12V izhod je priključen na vhode treh regulatorjev LM2940 ultra nizkega izpada 5V 1A, od katerih se dva uporabljata za izhode USB, drugi pa za izhod na sprednji plošči. Eden od 5V izhodov je priključen na regulator AMS1117 za 3.3V izhod. Gre torej za serijsko mrežo različnih regulatorjev.

Spremenljiv izhod je vzet iz U3, kot je prikazano na shemi. Za grobo in fino nastavitev izhodne napetosti sem uporabil serijo 5K potenciometra z loncem 1K. Voltmetrski modul DSN DVM-368 (vadnica na moji spletni strani) je priključen na spremenljiv izhod za prikaz napetosti na sprednji plošči. Oglejte si razdelek "Ožičenje", da vidite spremembe v modulu voltmetra. Uporabite lahko katere koli druge module V ali A brez večjih sprememb.

Prenesite sliko sheme v visoki ločljivosti-p.webp

3. korak: SketchUp 3D model

Za načrtovanje namestitve priključkov, stikal itd. In za pravilne dimenzije rezanja plošče MDF, aluminijastega kanala itd. Sem v SketchUpu najprej oblikoval 3D -model škatle za napajalnik. S seboj sem imel že vse komponente. Tako je bilo oblikovanje modela enostavno. Uporabil sem ploščo MDF debeline 6 mm in aluminijaste ekstruzije (kot) velikosti 25 mm in debeline 2 mm. S spodnjo povezavo lahko prenesete datoteko modela SketchUp.

LM317 PSU SketchUp 2014 file: Prenesite spodnjo datoteko. To gradivo lahko brezplačno prenesete, spremenite in razširite.

4. korak: Zberite orodja in dele

To so potrebni materiali, orodja in komponente.

Za škatlo PSU,

• MDF plošča debeline 6 mm.
• Aluminijaste kotne ekstruzije - velikost 25 mm, debelina 2 mm.
• 25 mm strojni vijaki z zarezano, okroglo glavo in združljivimi maticami in podložkami.
• Akrilna ali ABS pločevina debeline 3-4 mm.
• Stari hladilnik in ventilator iz CPU -ja iz aluminija.
• PVC stopala velikosti 1,5 cm.
• Mat črna barva v spreju.
• MDF temeljni premaz.

Za vezje,

• 3x TIP2955 (paket TO-247)
• Sljude izolatorji za tranzistorje TO-247
• 3x LM317T
• 3x LM2940
• 1x AMS1117-3.3
• 3x 2W, 100 ohmski upori
• 10x 100 nF keramični kondenzatorji
• 6x 1N4007 diode
• 470 uF, 40V elektrolitske kape
• 1x dioda 6A4
• 3x 1K upori
• 3x 200 ohmski upori
• 1x varovalke in držala varovalk 3-4A
• 100 uF, 10V elektrolitske kape
• 1x 1K linearni potenciometer
• 1x linearni potenciometer 5K
• 2x gumbi potenciometra
• 2 -polni priključni bloki
• Hladilniki za pakete TO220
• Testo za hladilno telo
• 4x preklopno/vzvodno stikalo SPST
• Kabli in žice iz starih napajalnikov za osebni računalnik
• Termoskrčljive cevi 3 mm in 5 mm
• Perforirano matrično tiskano vezje
• Moški zatiči
• 2x ženski USB sprejemniki tipa A.
• 4x priključki za zvočnike ALI 8x povezovalna mesta
• 1x stikalo SPST/DPDT
• 4 x 3 mm/5 mm LED
• 1x voltmeter DSN-DVM-368
• 5x ženski enosmerni cevni priključki (vijačni)
• Plastični izstopi

Orodja

• Listi za žago
• Vrtalni stroj
• Predvajalnik nosu
• Različne vrste datotek
• Različne vrste ključev
• Merilni trak
• Črni trajni marker za CD
• Veliko vrst Philips in izvijačev z režami (kupite komplet)
• Snemljivi nož in rezila
• Rotacijsko orodje (ni potrebno, če imate znanje)
• Brusni papir velikosti 300 in 400
• Stiskalnica (za bakrene žice)
• Multimeter
• Spajkalnik
• Spajkalna žica in fluks
• Odstranjevalci žice
• Pinceta
• In katero koli orodje, ki ga najdete.
• Maska za onesnaževanje/prah za zaščito pred barvo.

5. korak: Izdelava tiskanega vezja

Izrežite perfboard po vaši želji. Nato postavite in spajkajte komponente v skladu s shemo. Nisem naredil datoteke PCB za jedkanje. Lahko pa uporabite spodnjo shematsko datoteko Eagle, da sami izdelate tiskano vezje. Sicer pa s svojo iznajdljivostjo načrtujte umestitve in usmerjanje ter vse lepo spajkajte. Očistite tiskano vezje z raztopino IPA (izopropilnega alkohola), da očistite morebitne ostanke spajkanja.

6. korak: Izdelava škatle

Vse mere, s katerimi je treba rezati ploščo MDF, aluminijaste kanale, mere lukenj, namestitev lukenj in vse so v modelu SketchUp. Odprite datoteko v SketchUpu. Deli sem združil v skupine, tako da lahko preprosto skrijete dele modela in uporabite orodje Measure za merjenje dimenzij. Vse mere so v mm ali cm. Za vrtanje lukenj uporabite 5 mm nastavke. Vedno preverite, ali so luknje in drugi deli poravnani, da se prepričate, da se bodo vse zlahka ujemale. Za brušenje površine MDF in aluminijastih kanalov uporabite brusni papir.

Ko pregledate 3D model, boste dobili idejo, kako zgraditi škatlo. Lahko ga spremenite glede na svoje potrebe. To je kraj, kjer lahko maksimalno uporabite svojo ustvarjalnost in domišljijo.

Za sprednjo ploščo uporabite akrilno ali ABS pločevino in v njej z laserskim rezalnikom izrežite luknje, če do nje lahko dostopate. A na žalost nisem imel laserskega stroja in iskanje bi bilo dolgočasno opravilo. Zato sem se odločil, da se držim tradicionalnega pristopa. Našel sem plastične okvirje in škatle iz starih hladilnikov iz trgovine z odpadki. Pravzaprav sem jih kupil po nerazumni ceni. Eden od teh okvirjev je bil dovolj debel in raven, da ga je bilo mogoče uporabiti kot sprednjo ploščo; ni bila niti predebela niti pretanka. Odrezal sem ga s pravilnimi meritvami in v njem izvrtal in izrezal luknje, da sem prilagodil vsa stikala in izhodne priključke. Nožna žaga in vrtalni stroj sta bila moje glavno orodje.

Zaradi posebne zasnove škatle boste morda imeli težave s pritrditvijo sprednje plošče na preostali del škatle. Plastične kose ABS plastike sem zlepil za sprednjimi koti in jih neposredno privijal, ne da bi potreboval matice. Boste morali narediti nekaj takega ali kaj boljšega.

Za hladilnik sem uporabil enega iz starega hladilnika za procesor. V njem sem izvrtal luknje in med njimi pritrdil vse tri prehodne tranzistorje s sljudnimi izolatorji (TO JE POMEMBNO!) Za električno izolacijo. Ker sem spoznal, da sam hladilnik ne bi deloval, sem kasneje dodal hladilni ventilator z zunanje strani hladilnika in ga priključil na pomožni 12V.

7. korak: Slikanje škatle

Najprej morate brusiti MDF z brusnim papirjem velikosti 300 ali 400. Nato nanesite tanko, enakomerno plast lesa ali MDF. Nanesite drugo plast, potem ko se prvi sloj dovolj posuši. To ponovite po vaših željah in pustite, da se posuši 1 ali 2 dni. Pred brizganjem barve morate premazati temeljni premaz. Slikanje je enostavno z uporabo stisnjenih pločevink za barve.

8. korak: Ožičenje

Ploščo, ki ste jo spajkali, pritrdite na sredino spodnjega lista in jo privijte z majhnimi strojnimi vijaki in razmiki med njimi. Uporabil sem žice iz starih računalniških napajalnikov, saj so dobre kakovosti. Žice lahko spajkate neposredno na ploščo ali uporabite priključke ali zatiče. Napajalnik sem naredil v naglici, zato nisem uporabil nobenih priključkov. Priporočljivo pa je, da kadar koli in kjer koli je mogoče, uporabite priključke, da bo vse modularno in enostavno za sestavljanje in razstavljanje.

Med ožičenjem in začetnim testiranjem sem naletel na precej čudne težave. Prva je bila nestabilnost izpisa. Ko uporabljamo prehodne elemente PNP, bi izhod nihal, kar bi zmanjšalo efektivno enosmerno napetost na merilniku. Za odpravo te težave sem moral priključiti elektrolitske kondenzatorje visoke vrednosti. Naslednja težava je bila razlika v izhodni napetosti na plošči in na izhodnih priključkih! Še vedno ne vem, v čem je točno težava, vendar sem to rešil tako, da sem na izhodne sponke neposredno spajkal nekaj visoko vrednih uporov, 1K, 4.7K itd. Za programiranje izhodov Aux 12V in 12V sem uporabil vrednost upora 2K (1K+1K).

Za spremenljiv izhod potrebujemo le voltmeter DSN-DVM-368, saj so vsi drugi izhodi fiksni. Najprej morate odklopiti (POMEMBNO!) Mostiček (mostiček 1), kot je prikazano na sliki, nato uporabite tri žice, kot je na shemi. Voltmeter ima v notranjosti že 5V regulator. Dovajanje 12V neposredno vanj bo povzročilo nezaželeno segrevanje. Zato uporabljamo regulator 7809, 9V med AUX 12V in Vcc vhodom voltmetra. 7809 sem moral narediti kot "lebdečo" komponento, saj je bila dodana, potem ko sem spajkal ploščo.

9. korak: Testiranje

Priključite SMPS z nazivno napetostjo med 15-35V in tokom najmanj 2A na vhod plošče skozi vtičnico z enosmernim tokom. Uporabil sem 36V 2A SMPS z vgrajeno zaščito pred prevelikim tokom (zaustavitev). Glej zgornjo tabelo meritev iz preskusa obremenitve.

Regulacija obremenitve tukaj ni tako dobra zaradi omejitve izhodne moči SMPS, ki ga uporabljam. Omejila bo tok in zaustavila pri visokih tokovih. Zato nisem mogel opraviti preskusov prenapetosti. Do 14 V se je regulacija obremenitve zdela dobra. Toda nad nastavljeno napetostjo 15V (#8, #9, #10), ko priključim obremenitev, se bo izhodna napetost zmanjšala na približno 15 V s konstantnim tokom 3,24A. Pri #10 je napetost obremenjena polovica nastavljene napetosti pri toku 3,24A! Tako je bilo videti, da moj SMPS ne zagotavlja dovolj toka, da bi napetost ostala pri nastavljeni vrednosti. Največja moč, ki sem jo lahko dobil, je bila pri #11, 58W. Torej, dokler ohranite izhodni tok nizek, bo izhodna napetost ostala tam, kjer naj bi bila. Vedno pazite na napetost, tok in temperaturo hladilnika, saj se bo tam razpršila velika količina energije.

10. korak: Dokončanje

Ko končate teste, sestavite vse in označite sprednjo ploščo, kot želite. Sprednjo ploščo sem pobarval s srebrno barvo in s trajnim markerjem označil stvari (to ni lep način). Na sprednjo stran sem dal DIY nalepko, ki sem jo dobil s prvim Arduinom.

11. korak: Prednosti in slabosti

Pri tej zasnovi napajalnika je veliko prednosti in slabosti. Vedno jih je vredno preučiti.

Prednosti

• Enostavno oblikovanje, izdelava in spreminjanje, saj je linearno regulirano napajanje.
• Manj nezaželenih valov na izhodu v primerjavi z običajnimi enotami SMPS.
• Manj EM/RF radijskih motenj.

Slabosti

• Slaba učinkovitost - večina energije se porabi kot toplota v hladilnih telesih.
• Slaba regulacija obremenitve v primerjavi z zasnovo napajalnika SMPS.
• Velike velikosti v primerjavi s SMPS s podobno močjo.
• Ni merjenja toka ali omejevanja.

12. korak: Odpravljanje težav

Digitalni multimeter je najboljše orodje za odpravljanje težav z napajanjem. Pred spajkanjem preverite vse regulatorje z uporabo mize. Če imate dva DMM -ja, je mogoče istočasno izmeriti tok in napetost.

1. Če na izhodu ni moči, preverite napetosti iz vhodnega zatiča, na vhodnih zatičih regulatorja in dvakrat preverite, ali so povezave na tiskano vezje pravilne.
2. Če ugotovite, da izhod niha, dodajte elektrolitski kondenzator z vrednostjo najmanj 47uF v bližini izhodnih sponk. Lahko jih spajkate neposredno na izhodne sponke.
3. Ne kratek na izhodih ali priključite nizko impedančno obremenitev na izhode. To bi lahko povzročilo okvaro regulatorjev, saj v naši zasnovi ni omejitev toka. Na glavnem vhodu uporabite varovalko ustrezne vrednosti.

13. korak: Izboljšave

To je osnovni linearni napajalnik. Torej lahko veliko izboljšate. To sem zgradil v naglici, ker sem tako zelo potreboval nekakšno spremenljivo napajanje. S pomočjo tega lahko v prihodnosti zgradim boljši "natančen digitalni napajalnik". Tukaj je nekaj načinov, kako lahko izboljšate trenutno zasnovo,

1. Uporabili smo linearne regulatorje, kot so LM317, LM2940 itd. Kot sem že rekel, so ti tako neučinkoviti in jih ni mogoče uporabiti za nastavitev na baterije. Torej, kar lahko storite, je, da poiščete enega od tistih poceni modulov DC-DC v vseh spletnih trgovinah in z njimi zamenjate linearne regulatorje. So učinkovitejši (> 90%), imajo boljšo regulacijo obremenitve, večjo zmogljivost toka, omejevanje toka, zaščito pred kratkim stikom in vse. LM2596 je ena takih vrst. Buck (korak navzdol) moduli bodo imeli na vrhu natančen potenciometer. Lahko ga zamenjate z "večopravilnim potenciometrom" in ga uporabite na sprednji plošči namesto običajnih linearnih loncev. Tako boste imeli večji nadzor nad izhodno napetostjo.
2. Tukaj smo uporabili le voltmeter, zato smo slepi glede toka, ki ga napaja naš napajalnik. Na voljo so poceni merilni moduli "Napetost in tok". Kupite eno in dodajte izhodu, lahko je za vsako proizvodnjo ena.
3. Trenutno v naši zasnovi ni omejevalne funkcije. Zato ga poskusite izboljšati tako, da dodate trenutno omejevalno funkcijo.
4. Če je vaš hladilnik hladen, poskusite dodati temperaturno občutljiv regulator ventilatorja s krmiljenjem hitrosti.
5. Z lahkoto lahko dodate funkcijo polnjenja baterije.
6. Ločeni izhodi za testiranje LED.

Prva nagrada na natečaju za napajanje