LM317 -baserad DIY -variabel strömförsörjning vid bänkskivan: 13 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:47

En strömförsörjning är utan tvekan en absolut nödvändig utrustning för alla elektroniklaboratorier eller alla som vill göra elektronikprojekt, särskilt en variabel strömförsörjning. I denna handledning ska jag visa dig hur jag byggde en LM317 linjär positiv regulator baserad variabel 1,2-30V (1,2V till ingångsspänning-2,7V faktiskt) strömförsörjning.

Det här är de funktioner jag ville att min PSU skulle ha.

• En variabel utgång med minsta ström 2 A.
• Fast 12 V -utgång med 2A.
• Fast 5 V utgång med 2 A.
• Fast 3,3 V utgång med 1A.
• Två USB -portar för laddning av telefoner vid 1A.

Strömförsörjningen använder ingen transformator istället för att den reducerar konstant ingångsspänning i intervallet 15-35V till många olika spänningar vid utgången. Så du kan driva denna enhet med vilken SMPS som helst med en märkspänning 15-35V och ström 2-5A ELLER en transformatorförsörjning med samma specifikationer.

Steg 1: Gör dig redo

1. Gå till https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download och ladda ner Eagle schematic capture programvara för ditt operativsystem.
2. Gå till https://www.sketchup.com/download och ladda ner den senaste versionen av SketchUp och installera den.
3. Hitta en bra SMPS med en spänning mellan 15-36V ELLER gör en transformatorbaserad matning med 15-36V DC utspänning.

Steg 2: Schematisk

Schemat kommer att ge dig en inblick i min plan. Men det var inte utformat för att generera en PCB -fil eftersom jag vanligtvis perfboard för mina engångsdesigner. Så jag brydde mig inte om komponentpaketen. Du måste välja rätt paket om du vill skapa en PCB -layout. Det finns tre LM317s och tre TIP2955 PNP -passstransistorer för varje. Var och en av dessa LM317 kommer att minska 36V -ingången till programmerade spänningar. U2 kommer att mata ut en konstant 12V, U3 kommer att mata ut en variabel spänning och U1 kommer att producera en extra 12V för andra 5V och 3.3 regulatorer för att minska värmen som avges av dem.

LM317 kan ge utström över 1,5A. Men i detta fall, med stor skillnad i ingångs- och utgångsspänningar, måste LM317 tappa överskottseffekten som värme; så mycket värme. Så vi använder passelement. Här har jag använt TIP2955 effekttransistor som passelement på den positiva sidan. Du kan använda TIP3055 eller 2N3055 som passelement på den negativa sidan eller utgångssidan. Men anledningen till att jag valde PNP är att de inte ändrar utspänningen som NPN -transistorer skulle göra (utgången blir +0,7V högre när NPN används). PNP-transistorer används som passningselement i regulatorer med lågt utfall och extremt lågt utfall. Men de uppvisar vissa utmatningsstabilitetsproblem som kan lindras genom att lägga till kondensatorer vid utgången.

2W -motstånden R5, R7 och R9 kommer att producera tillräckligt med spänning för att förspänna passstransistorerna vid låga strömmar. Extra 12V-utgången är ansluten till ingångar till tre LM2940 ultra-låga utfall 5V 1A-regulatorer varav två används för USB-utgångar och den andra är för frontpanelutgång. En av 5V -utgången är ansluten till en AMS1117 -regulator för 3,3V -utgång. Så det är ett seriens nätverk av olika regulatorer.

Den variabla utmatningen tas från U3 som visas i schemat. Jag använde en 5K potentiometer i serie med en 1K kruka för att få grov och fin justering av utspänningen. En DSN DVM-368 (handledning på min webbplats) voltmeter-modul är ansluten till den variabla utgången för att visa spänningen på frontpanelen. Se avsnittet "Kabeldragning" för att se de ändringar som ska göras på voltmetermodulen. Du kan använda alla andra V- eller A -moduler utan stora ändringar.

Ladda ner högupplöst-p.webp

Steg 3: SketchUp 3D -modell

För att planera placering av kontakter, switchar etc och för att få rätt dimensioner för att klippa MDF -kort, aluminiumkanal etc, konstruerade jag först en 3D -modell av PSU -boxen i SketchUp. Jag hade redan med mig alla komponenter. Så det var enkelt att designa modellen. Jag använde MDF -skiva med tjocklek 6 mm och aluminiumprofiler (vinkel) av storlek 25 mm och tjocklek 2 mm. Du kan ladda ner modellfilen för SketchUp med länken nedan.

LM317 PSU SketchUp 2014 -fil: Ladda ner filen nedan. Du är fri att ladda ner, ändra och distribuera detta material.

Steg 4: Samla verktyg och delar

Detta är material, verktyg och komponenter som krävs.

För PSU -låda,

• MDF -skiva med tjocklek 6 mm.
• Aluminium vinklade extruderingar - storlek 25 mm, tjocklek 2 mm.
• 25 mm maskinskruvar med slitsat, runt huvud och kompatibla muttrar och brickor.
• Akryl- eller ABS-plåt med tjocklek 3-4 mm.
• Gammal CPU -kylfläns och fläkt i aluminium.
• PVC -fötter i storlek 1,5 cm.
• Matt svart sprayfärg.
• MDF primer.

För kretskort,

• 3x TIP2955 (TO-247-paket)
• Glimmerisolatorer för TO-247-transistorer
• 3x LM317T
• 3x LM2940
• 1x AMS1117-3.3
• 3x 2W, 100 Ohm motstånd
• 10x 100 nF keramiska kondensatorer
• 6x 1N4007 -dioder
• 470 uF, 40V elektrolytiska lock
• 1x 6A4 -diod
• 3x 1K motstånd
• 3x 200 Ohm motstånd
• 1x 3-4A säkringar och säkringshållare
• 100 uF, 10V elektrolytiska lock
• 1x 1K linjär potentiometer
• 1x 5K linjär potentiometer
• 2x Potentiometer knoppar
• 2 -poliga plintar
• Kylflänsar för TO220 -paket
• Kylflänspasta
• 4x SPST -växel-/spakbrytare
• Kablar och ledningar från gamla PC -nätaggregat
• Krymprör på 3 mm och 5 mm
• Perforerad matris PCB
• Manliga stifthuvuden
• 2x kvinnliga USB typ A -receptorer
• 4x högtalarkontakter ELLER 8x bindande stolpar
• 1x vippomkopplare SPST/DPDT
• 4x 3 mm/5 mm lysdioder
• 1x DSN-DVM-368 voltmeter
• 5x kvinnliga DC -fatkontakter (skruvbara)
• Plastavstånd

Verktyg

• Hacksågsblad
• Borrmaskin
• Nässpelare
• Olika typer av filer
• Olika typer av nycklar
• Måttband
• Svart permanent CD -markör
• Många typer av Philips och skruvmejslar (köp kit)
• Infällbar kniv och blad
• Rotationsverktyg (inte nödvändigt om du har skicklighet)
• 300 och 400 sandpapper i grusstorlek
• Nipper (för koppartrådar)
• Multimeter
• Lödkolv
• Lödtråd och flöde
• Wire strippers
• Pincett
• Och alla verktyg du kan hitta.
• Föroreningar/dammmask för att skydda mot färg.

Steg 5: Bygg kretskortet

Skär perfboard enligt dina krav. Placera sedan och löd komponenterna enligt schemat. Jag gjorde inte en PCB -fil för etsning. Men du kan använda Eagle -schematisk fil nedan för att göra ett PCB på egen hand. Använd annars din uppfinningsrikedom för att planera placeringarna och dirigera och löd allt snyggt. Tvätta kretskortet med IPA -lösning (isopropylalkohol) för att rengöra eventuella lödrester.

Steg 6: Bygga lådan

Alla mått med vilka MDF -skivan, aluminiumkanaler ska skäras, hålmått, hålplaceringar och alla finns i SketchUp -modellen. Öppna bara filen i SketchUp. Jag har grupperat delar så att du enkelt kan dölja delar av modellen och använda mätverktyget för att mäta måtten. Alla mått är i mm eller cm. Använd 5 mm bitar för att borra hål. Kontrollera alltid att hål och andra delar är inriktade för att se till att allt lätt matchar varandra. Använd sandpapper för att jämna ut ytan på MDF- och aluminiumkanaler.

Du får idén om hur du bygger rutan när du har undersökt 3D -modellen. Du kan ändra det enligt dina behov. Detta är en plats där du kan utnyttja din kreativitet och fantasi maximalt.

För frontpanelen, använd akryl eller ABS -ark och skär hål i den med en laserskärare om du kan komma åt en. Men tyvärr hade jag ingen lasermaskin och att hitta en skulle vara en tråkig uppgift. Så jag bestämde mig för att hålla fast vid det traditionella tillvägagångssättet. Jag hittade plastramar och lådor från gamla kylskåp från en skrotaffär. Egentligen köpte jag dem för ett orimligt pris. En av den ramen var tjock och platt nog att användas som frontpanel; den var inte för tjock eller för tunn. Jag klippte den med rätt mått och borrade och skar hål i den för att rymma alla omkopplare och utgångskontakter. En bågfil och en borrmaskin var mina främsta verktyg.

På grund av den specifika utformningen av lådan kan du få problem med att fästa frontpanelen på resten av lådan. Jag limmade plastbitar av ABS -plast bakom de främre vinklarna och skruvade fast dem direkt utan att behöva muttrar. Du kommer att behöva göra något liknande eller något bättre.

För kylflänsen använde jag en från en gammal CPU -kylare. Jag borrade hål i den och fäst alla tre passeringstransistorer med glimmerisolatorer (DETTA ÄR VIKTIGT!) Mellan dem för elektrisk isolering. Inse att kylflänsen ensam inte skulle göra jobbet, jag lade senare till en kylfläkt från utsidan av kylflänsen och kopplade den till den extra 12V.

Steg 7: Måla lådan

Först måste du slipa MDF: n med sandpapper på 300 eller 400 korn. Applicera sedan ett tunt, enhetligt lager av trägrunder eller MDF -primer. Applicera ytterligare ett lager efter att det första lagret torkat tillräckligt. Upprepa detta enligt dina krav och låt det torka i 1 eller 2 dagar. Du måste slipa grundfärgskiktet innan du kan spruta färgen. Måla är enkelt med hjälp av komprimerade färgburkar.

Steg 8: Kabeldragning

Fixera brädan du lödde i mitten av bottenarket och skruva fast det med små maskinskruvar och avstånd mellan dem. Jag använde ledningar från gamla datorns strömförsörjningar eftersom de är av god kvalitet. Du kan antingen lödkablar direkt till kortet eller använda kontakter eller stifthuvuden. Jag gjorde PSU bråttom så jag använde inga kontakter. Men det rekommenderas att använda kontakter när och var som helst, för att göra allt modulärt och enkelt att montera och demontera.

Jag hade stött på några ganska konstiga problem vid kabeldragning och den första testningen. Det första var utmatningens instabilitet. När vi använder PNP -passelement skulle utgången oscillera vilket ger minskad effektiv likspänning på mätaren. Jag var tvungen att ansluta högvärdiga elektrolytkondensatorer för att åtgärda detta problem. Nästa problem var skillnaden i utspänning i kortet och utgångarna! Jag vet fortfarande inte vad problemet är, men jag löste detta genom att lödda några högvärdesmotstånd, 1K, 4.7K etc, direkt vid utgångsterminalerna. Jag använde 2K (1K+1K) motståndsvärde för att programmera Aux 12V och huvud 12V utgångar.

Vi behöver bara DSN-DVM-368 voltmeter för den variabla utgången eftersom alla andra utgångar är fasta. Först måste du koppla bort (VIKTIGT!) Bygeln (Bygel 1) som visas i figuren och sedan använda de tre trådarna som i schemat. Voltmetern har redan en 5V regulator inuti. Att mata 12V direkt till det kommer att orsaka oönskad uppvärmning. Så vi använder en 7809, 9V regulator mellan AUX 12V och Vcc -ingången på voltmätaren. Jag var tvungen att göra 7809 till en "flytande" komponent eftersom den tillsattes efter att jag lödt brädet.

Steg 9: Testning

Anslut en SMPS med en spänning mellan 15-35V och en ström på minst 2A, till ingången på kortet genom ett DC-fatuttag. Jag använde 36V 2A SMPS med inbyggt överströmskydd (avstängning). Se ovanför tabellen över mätningar från belastningstestet.

Lastreglering här är inte så bra på grund av uteffektbegränsningen för SMPS jag använder. Det kommer att begränsa strömmen och avstängningen vid höga strömmar. Så jag kunde inte utföra överspänningsströmmar. Fram till 14V verkade belastningsregleringen bra. Men över 15V inställd spänning (#8, #9, #10), när jag ansluter lasten, kommer utspänningen att minska till cirka 15V med en konstant ström på 3,24A. Vid #10 är den laddade spänningen hälften av den inställda spänningen vid 3,24A ström! Så det såg ut som om min SMPS inte gav tillräckligt med ström för att hålla spänningen vid det inställda. Den maximala effekten jag kunde få var vid #11, på 58W. Så, så länge du håller utströmmen låg, kommer utspänningen att stanna där den ska. Håll alltid ett öga på spänningen, strömmen och temperaturen på kylflänsen eftersom en betydande mängd ström försvinner där.

Steg 10: Efterbehandling

När du är klar med testerna monterar du ihop allt och märker frontpanelen som du vill. Jag målade frontpanelen med silverfärg och använde en permanent markör för att märka saker (inte ett bra sätt att göra). Jag satte en DIY -klistermärke som jag fick med min första Arduino, på framsidan.

Steg 11: För- och nackdelar

Det finns många fördelar och nackdelar med denna strömförsörjningsdesign. Det är alltid värt att studera dem.

Fördelar

• Lätt att designa, bygga och modifiera eftersom det är en linjär reglerad strömförsörjning.
• Mindre oönskade krusningar vid utgången jämfört med vanliga SMPS -enheter.
• Mindre EM/RF -störningar produceras.

Nackdelar

• Dålig effektivitet - det mesta av kraften går till spillo som värme vid kylflänsarna.
• Dålig belastningsreglering jämfört med SMPS -strömförsörjningsdesign.
• Stor i storlek jämfört med liknande effekt -SMPS.
• Ingen strömmätning eller begränsning.

Steg 12: Felsökning

En digital multimeter är det bästa verktyget för att felsöka problem med strömförsörjning. Kontrollera alla regulatorer före lödning med en brödbräda. Om du har två DMM är det möjligt att mäta ström och spänning samtidigt.

1. Om det inte finns någon ström på utgången, kontrollera spänningarna från ingångsstiften, vid regulatorns ingångsstiften och dubbelkontrollera om kretskortanslutningarna är korrekta.
2. Om du upptäcker att utgången oscillerar lägger du till en elektrolytkondensator med ett värde av minst 47uF nära utgångsterminalerna. Du kan löda dem direkt till utgångsterminalerna.
3. Korta inte utgångarna eller anslut inte låg impedansbelastning vid utgångarna. Det kan orsaka att regulatorerna misslyckas eftersom det inte finns någon strömbegränsning i vår design. Använd en lämplig värdesäkring vid huvudingången.

Steg 13: Förbättringar

Detta är en grundläggande linjär strömförsörjning. Så det finns mycket du kan förbättra. Jag byggde detta bråttom eftersom jag behövde någon form av variabel strömförsörjning så illa. Med hjälp av detta kan jag bygga en bättre "Precision Digital Power Supply" i framtiden. Här är några sätt du kan förbättra den nuvarande designen,

1. Vi använde linjära regulatorer som LM317, LM2940 etc. Som jag sa tidigare är dessa så ineffektiva och kan inte användas för en batteridriven installation. Så det du kan göra är att hitta en av de billiga DC-DC-buckmodulerna från alla onlinebutiker och ersätta de linjära regulatorerna med dem. De är mer effektiva (> 90%), har bättre lastreglering, mer strömförmåga, strömbegränsning, kortslutningsskydd och allt. LM2596 är en av den sorten. Buck (step down) -modulerna kommer att ha en precisionspotentiometer ovanpå. Du kan ersätta den med en "multi-turn potentiometer" och använda den på frontpanelen istället för normala linjära krukor. Det ger dig mer kontroll över utspänningen.
2. Vi har bara använt en voltmeter här, så vi är blinda om strömmen som vår nätaggregat levererar. Det finns billiga mätmoduler "Spänning och ström". Köp en och lägg till utdata, kan vara en för varje utgång.
3. Det finns ingen strömbegränsande funktion i vår design. Så försök att förbättra det genom att lägga till en strömbegränsande funktion.
4. Om din kylfläkt är bullrig, försök att lägga till en temperaturkänslig fläktstyrning som kan ha hastighetskontroll.
5. En batteriladdningsfunktion kan enkelt läggas till.
6. Separata utgångar för LED -test.

Första pris i Power Supply Contest