Font d'alimentació variable de taula de bricolatge basada en LM317: 13 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:16

Una font d'alimentació és, sens dubte, un equip absolutament necessari per a qualsevol laboratori d'electrònica o qualsevol persona que vulgui fer projectes d'electrònica, especialment una font d'alimentació variable. En aquest tutorial us mostraré com he construït una font d'alimentació variable basada en un regulador positiu lineal LM317 1,2-30V (1,2V a tensió d'entrada-2,7V en realitat).

Aquestes són les funcions que volia que tingués la meva PSU.

• Una sortida variable amb un corrent mínim de 2 A.
• Sortida de 12 V fixa amb 2A.
• Sortida de 5 V fixa amb 2 A.
• S'ha solucionat la sortida de 3,3 V amb 1A.
• Dos ports USB per carregar telèfons a 1A.

La font d'alimentació no utilitza cap transformador, sinó que redueix la tensió d'entrada constant en el rang de 15-35V a moltes tensions diferents a la sortida. Així, podeu alimentar aquesta unitat mitjançant qualsevol SMPS amb una tensió nominal de 15-35V i un corrent de 2-5A O un subministrador de transformador amb les mateixes especificacions.

Pas 1: Preparació

1. Aneu a https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download i descarregueu el programari de captura esquemàtica Eagle per al vostre sistema operatiu.
2. Aneu a https://www.sketchup.com/download i descarregueu la versió més recent de SketchUp i instal·leu-la.
3. Trobeu un bon SMPS amb una tensió nominal entre 15-36V O feu un subministrament basat en transformadors amb una tensió de sortida de 15-36V CC.

Pas 2: esquema

L’esquema us donarà una idea del meu pla. Però no va ser dissenyat per generar un fitxer de PCB, ja que normalment perfbo per als meus dissenys únics. Per tant, no m’importaven els paquets de components. Heu de seleccionar els paquets adequats si voleu crear un disseny de PCB. Hi ha tres LM317 i tres transistors de pas PNP TIP2955 per a cadascun. Cadascun d'aquests LM317 reduirà l'entrada de 36V a tensions programades. U2 produirà una constant de 12V, U3 generarà una tensió variable i U1 produirà un auxiliar de 12V per a altres reguladors de 5V i 3.3 per tal de reduir la calor dissipada per ells.

LM317 pot proporcionar un corrent de sortida superior a 1,5A. Però en aquest cas, amb una gran diferència de tensions d’entrada i sortida, LM317 haurà de dissipar l’excés de potència com a calor; tanta calor. Per tant, fem servir elements pass. Aquí he utilitzat el transistor de potència TIP2955 com a element de pas en el costat positiu. Podeu utilitzar TIP3055 o 2N3055 com a element de pas al costat negatiu o al costat de sortida. Però el motiu pel qual he escollit els PNP és perquè no alteren la tensió de sortida com ho farien els transistors NPN (la sortida serà + 0,7 V més alta quan s’utilitza NPN). Els transistors PNP s’utilitzen com a elements de pas en reguladors d’abandonament baix i ultra baix. Però presenten alguns problemes d’estabilitat de sortida que es poden mitigar afegint condensadors a la sortida.

Les resistències R5, R7 i R9 de 2W produiran suficient tensió per polaritzar els transistors de pas a baixes corrents. La sortida auxiliar de 12V està connectada a entrades de tres reguladors LM2940 de baixa intensitat 5V 1A, dos dels quals s’utilitzen per a sortides USB i l’altre per a sortida del panell frontal. Una de les sortides de 5 V està connectada a un regulador AMS1117 per a la sortida de 3,3 V. Per tant, es tracta d’una sèrie de diferents reguladors.

La sortida variable es pren de U3 tal com es mostra a l'esquema. He utilitzat un potenciòmetre de 5K en sèrie amb una olla de 1K per tenir un ajust fi i gruixut del voltatge de sortida. Un mòdul de voltímetre DSN DVM-368 (tutorial al meu lloc web) està connectat a la sortida variable per mostrar el voltatge al tauler frontal. Consulteu la secció "Cablatge" per veure les modificacions que cal fer al mòdul de voltímetre. Podeu utilitzar qualsevol altre mòdul V o A sense moltes modificacions.

Descarregueu aquí la imatge-p.webp

Pas 3: model 3D de SketchUp

Per planificar la col·locació de connectors, commutadors, etc. i obtenir dimensions correctes per tallar la placa MDF, el canal d'alumini, etc., primer vaig dissenyar un model 3D de la caixa d'alimentació a SketchUp. Ja tenia tots els components amb mi. Per tant, dissenyar el model va ser fàcil. He utilitzat taulers de MDF de 6 mm de gruix i extrusions d'alumini (angle) de mida 25 mm i gruix de 2 mm. Podeu descarregar el fitxer del model SketchUp mitjançant l’enllaç següent.

LM317 PSU SketchUp 2014: descarregueu el fitxer següent. Podeu descarregar, modificar i redistribuir aquest material lliurement.

Pas 4: reuniu eines i peces

Aquests són el material, les eines i els components necessaris.

Per al quadre PSU,

• Tauler de MDF de gruix 6 mm.
• Extrusions en angle d'alumini: mida 25 mm, gruix 2 mm.
• Cargols de màquina de 25 mm amb capçal rodó i ranurat i femelles i rondelles compatibles.
• Full acrílic o ABS de gruix 3-4 mm.
• Dissipador i ventilador d'alumini de la CPU antiga.
• Peus de PVC de mida 1,5 cm.
• Pintura en aerosol negre mat.
• Imprimació de MDF.

Per a placa de circuit,

• 3x TIP2955 (paquet TO-247)
• Aïllants de mica per transistors TO-247
• 3x LM317T
• 3x LM2940
• 1x AMS1117-3.3
• Resistències de 3x 2W, 100 Ohm
• Condensadors ceràmics de 10x 100 nF
• 6x díodes 1N4007
• 470 uF, taps electrolítics de 40V
• 1x díode 6A4
• Resistències 3x 1K
• Resistències de 3x 200 Ohm
• 1x fusibles de 3-4A i portafusibles
• Taps electrolítics de 100 uF, 10V
• Potenciòmetre lineal 1x 1K
• Potenciómetre lineal 1x 5K
• 2 botons de potenciòmetre
• Blocs de terminals de 2 pins
• Dissipadors de calor per als paquets TO220
• Pasta per dissipador de calor
• 4x commutadors de palanca / palanca SPST
• Cables i cables de fonts d’alimentació de PC antigues
• Tubs termorretractables de 3mm i 5mm
• PCB de matriu perforada
• Capçaleres de pins masculins
• 2x receptors USB femení tipus A.
• 4x connectors d’altaveu O postes d’unió 8x
• 1 commutador basculant SPST / DPDT
• 4x LED de 3 mm / 5 mm
• 1x DSN-DVM-368 voltímetre
• 5x connectors de barril de CC femella (cargolables)
• Separacions de plàstic

Eines

• Fulles de serra mecànica
• Màquina de perforació
• Jugador de nas
• Diferents tipus de fitxers
• Diferents tipus de claus
• Cinta mètrica
• Marcador permanent de CD negre
• Molts tipus de tornavisos Philips i ranurats (comprar un kit)
• Ganivet i fulles retràctils
• Eina rotativa (no cal si teniu habilitat)
• Papers de sorra de mida 300 i 400
• Pinça (per a cables de coure)
• Multímetre
• Soldador
• Filferro de soldadura i flux
• Decapants de filferro
• Pinces
• I qualsevol eina que pugueu trobar.
• Màscara contra la pol·lució / pols per protegir de la pintura.

Pas 5: Construir la placa de circuit

Talleu el perfboard segons el vostre requisit. A continuació, col·loqueu i soldeu els components segons l'esquema. No he creat cap fitxer PCB per gravar. Però podeu utilitzar el fitxer esquemàtic Eagle següent per crear un PCB pel vostre compte. En cas contrari, utilitzeu el vostre enginy per planificar les ubicacions i l’encaminament i soldar-ho tot bé. Renteu el PCB amb solució IPA (alcohol isopropílic) per netejar qualsevol residu de soldadura.

Pas 6: Construir la caixa

Totes les dimensions amb les quals s’ha de tallar la placa MDF, els canals d’alumini, les dimensions dels forats, la col·locació dels forats i totes es troben en el model SketchUp. Simplement obriu el fitxer a SketchUp. He agrupat parts juntes, de manera que podeu amagar fàcilment parts del model i utilitzar l'eina Mesura per mesurar les dimensions. Totes les dimensions són en mm o cm. Utilitzeu broques de 5 mm per perforar forats. Comproveu sempre si hi ha alineacions de forats i altres parts per assegurar-vos que tot coincidirà fàcilment. Utilitzeu papers de sorra per suavitzar la superfície dels canals de MDF i alumini.

Tindreu la idea de com construir el quadre un cop hàgiu examinat el model 3D. Podeu modificar-lo segons les vostres necessitats. Aquest és un lloc on podeu aprofitar al màxim la vostra creativitat i imaginació.

Per al tauler frontal, utilitzeu fulls d’acrílic o ABS i talleu-hi els forats amb un tallador làser si podeu accedir-hi. Però, per desgràcia, no tenia una màquina làser i trobar-ne una seria una tasca tediosa. Així que vaig decidir mantenir-me amb l’enfocament tradicional. Vaig trobar marcs i caixes de plàstic de neveres antigues d’una botiga de ferralla. En realitat, els vaig comprar per un preu no raonable. Un d’aquests marcs era prou gruixut i pla per fer-lo servir com a panell frontal; no era ni massa gruixut ni massa prim. El vaig tallar amb mesures correctes i vaig perforar-hi i tallar-hi forats, per acomodar tots els interruptors i connectors de sortida. Una serra mecànica i una perforadora eren les meves eines principals.

A causa del disseny específic de la caixa, és possible que tingueu algun problema en fixar el tauler frontal a la resta de la caixa. Vaig enganxar trossos de plàstic de plàstic ABS darrere dels angles frontals i els vaig cargolar directament sense necessitat de femelles. Haureu de fer alguna cosa així o alguna cosa millor.

Per al dissipador de calor, he utilitzat un d’un refredador de CPU antic. Hi vaig fer forats i vaig connectar els tres transistors de pas amb aïllants de mica (AIX IS ÉS IMPORTANT!) Entre ells per a aïllament elèctric. En adonar-me del dissipador de calor per si sol no faria la feina, més tard vaig afegir un ventilador de refrigeració des de l’exterior del dissipador de calor i el vaig connectar al 12V auxiliar.

Pas 7: Pintar la caixa

Primer heu de polir el MDF amb paper de vidre de mida 300 o 400. A continuació, apliqueu una capa prima i uniforme d’imprimació per a fusta o imprimació MDF. Apliqueu una altra capa després que la primera capa estigui prou seca. Repetiu-ho segons el vostre requisit i deixeu-lo assecar durant 1 o 2 dies. Cal polir la capa d’imprimació abans de poder ruixar la pintura. Pintar és fàcil utilitzant llaunes de pintura comprimides.

Pas 8: cablejat

Fixeu el tauler que heu soldat al centre del full inferior i cargoleu-lo amb cargols petits i separadors entre ells. He utilitzat cables de fonts d’alimentació d’ordinadors antigues, ja que són de bona qualitat. Podeu soldar cables directament a la placa o utilitzar connectors o capçaleres de pins. Vaig fer la PSU a corre-cuita, de manera que no vaig utilitzar cap connector. Però es recomana utilitzar connectors sempre que sigui possible, perquè tot sigui modular i fàcil de muntar i desmuntar.

Havia trobat alguns problemes força estranys durant el cablejat i les proves inicials. El primer va ser la inestabilitat de la sortida. Com que utilitzem elements de pas PNP, la sortida oscil·laria donant una tensió de CC efectiva reduïda al comptador. Vaig haver de connectar condensadors electrolítics d’alt valor per corregir aquest problema. El següent problema va ser la diferència de tensió de sortida a la placa i als connectors de sortida. Encara no sé quin és exactament el problema, però ho vaig solucionar soldant directament algunes resistències d’alt valor, 1K, 4,7K, etc. He utilitzat el valor de la resistència 2K (1K + 1K) per programar les sortides auxiliars 12V i principals 12V.

Només necessitem el voltímetre DSN-DVM-368 per a la sortida variable ja que la resta de sortides estan fixes. Primer heu de desconnectar (IMPORTANT!) El pont (pont 1) tal com es mostra a la figura i, a continuació, utilitzeu els tres cables com a l’esquema. El voltímetre ja té un regulador de 5V a l’interior. L’alimentació directa de 12 V provocarà un escalfament no desitjat. Per tant, fem servir un regulador de 7809, 9V entre l’entrada 12V AUX i Vcc del voltímetre. Vaig haver de fer del 7809 un component "flotant", ja que es va afegir després de soldar el tauler.

Pas 9: proves

Connecteu un SMPS amb una tensió nominal entre 15-35V i un corrent mínim de 2A, a l’entrada de la placa mitjançant una presa de barril de CC. He utilitzat SMV de 36V 2A amb protecció contra sobrecorrent (apagat) incorporada. Vegeu més amunt la taula de mesures de la prova de càrrega.

La regulació de càrrega aquí no és tan bona a causa de la limitació de la potència de sortida del SMPS que estic utilitzant. Limitarà el corrent i l’aturada a corrents elevats. Per tant, no vaig poder realitzar proves actuals de sobretensió. Fins a 14 V, la regulació de la càrrega semblava bona. Però per sobre de la tensió configurada de 15 V (# 8, # 9, # 10), quan connecto la càrrega, la tensió de sortida disminuirà fins a uns 15 V amb un corrent constant de 3,24 A. Al número 10, la tensió carregada és la meitat de la tensió configurada a 3,24A de corrent. Així doncs, semblava que el meu SMPS no proporcionava prou corrent per mantenir el voltatge en el que s'estableix. La potència màxima que vaig aconseguir va ser la número 11, de 58W. Així, mentre mantingueu el corrent de sortida baix, el voltatge de sortida es mantindrà allà on se suposa. Vigileu sempre la tensió, el corrent i la temperatura del dissipador de calor, ja que s’hi dissiparà una quantitat important de potència.

Pas 10: Acabat

Un cop hàgiu acabat les proves, munteu-ho tot i etiqueteu el tauler frontal com vulgueu. Vaig pintar el tauler frontal amb pintura platejada i vaig utilitzar un marcador permanent per etiquetar les coses (no és una bona manera de fer-ho). Vaig posar un adhesiu de bricolatge que vaig aconseguir amb el meu primer Arduino, a la part frontal.

Pas 11: Pros i contres

Hi ha molts avantatges i desavantatges amb aquest disseny de font d'alimentació. Sempre val la pena estudiar-los.

Avantatges

• Fàcil de dissenyar, construir i modificar ja que és una font d'alimentació regulada linealment.
• Menys ondulacions no desitjades a la sortida en comparació amb les unitats SMPS normals.
• Es produeixen menys interferències EM / RF.

Desavantatges

• Poca eficiència: la major part de l'energia es malgasta com a calor als dissipadors.
• Regulació de càrrega deficient en comparació amb el disseny d'alimentació SMPS.
• De grans dimensions en comparació amb SMPS de potència similar.
• No hi ha cap mesura o limitació de corrent.

Pas 12: resolució de problemes

Un multímetre digital és la millor eina per solucionar problemes de subministrament elèctric. Comproveu tots els reguladors abans de soldar amb una placa de tall. Si teniu dos DMM, és possible mesurar el corrent i el voltatge simultàniament.

1. Si no hi ha alimentació a la sortida, comproveu els voltatges del pin d'entrada, als pins d'entrada del regulador i comproveu si les connexions del PCB són correctes.
2. Si trobeu que la sortida és oscil·lant, afegiu un condensador electrolític de valor no inferior a 47 uF a prop dels terminals de sortida. Podeu soldar-los directament als terminals de sortida.
3. No reduïu les sortides ni connecteu una càrrega de baixa impedància a les sortides. Podria fer que els reguladors fallessin, ja que no hi ha cap limitació actual en el nostre disseny. Utilitzeu un fusible de valor adequat a l'entrada principal.

Pas 13: millores

Es tracta d’una font d’alimentació lineal bàsica. Per tant, hi ha moltes coses que podeu millorar. Vaig construir-ho a corre-cuita perquè necessitava una mena d'alimentació variable. Amb l'ajut d'això, puc construir una "font d'alimentació digital de precisió" millor en el futur. Ara teniu algunes maneres de millorar el disseny actual,

1. Hem utilitzat reguladors lineals com LM317, LM2940, etc. Com he dit abans, són tan poc eficients i no es poden utilitzar per a una configuració amb bateria. Així que el que podeu fer és trobar un d'aquests mòduls econòmics DC-DC de qualsevol botiga en línia i substituir els reguladors lineals per ells. Són més eficients (> 90%), tenen una millor regulació de la càrrega, més capacitat de corrent, limitació de corrent, protecció contra curtcircuits i tot. LM2596 és d’aquest tipus. Els mòduls Buck (step down) tindran un potenciòmetre de precisió a la part superior. Podeu substituir-lo per un "potenciòmetre de diversos girs" i utilitzar-lo al tauler frontal en lloc de pots lineals normals. Això us donarà més control sobre la tensió de sortida.
2. Aquí només hem utilitzat un voltímetre, de manera que estem cecs sobre el corrent que subministra la nostra alimentació. Hi ha disponibles mòduls de mesura "Voltatge i Corrent" econòmics. Compreu-ne un i afegiu-lo a la sortida, pot ser un per cada sortida.
3. No hi ha cap característica limitant actual al nostre disseny. Per tant, intenteu millorar-lo afegint una funció limitant actual.
4. Si el ventilador del dissipador de calor és sorollós, intenteu afegir un controlador del ventilador sensible a la temperatura, pot ser que tingui control de velocitat.
5. Es pot afegir fàcilment una funció de càrrega de la bateria.
6. Sortides separades per a proves de LED.

Primer premi del concurs de subministrament elèctric