Variabilní stolní napájecí zdroj na bázi LM317: 13 kroků (s obrázky)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2025-01-13 06:57

Napájecí zdroj je nepochybně naprosto nezbytným vybavením pro jakoukoli elektronickou laboratoř nebo pro každého, kdo chce dělat projekty v oblasti elektroniky, zejména variabilní napájecí zdroj. V tomto tutoriálu vám ukážu, jak jsem postavil napájecí zdroj s lineárním pozitivním regulátorem LM317 na bázi proměnné 1,2-30V (ve skutečnosti 1,2V na vstupní napětí-2,7V).

Toto jsou funkce, které jsem chtěl, aby můj PSU měl.

• Jeden variabilní výstup s minimálním proudem 2 A.
• Opravený výstup 12 V s 2A.
• Opravený 5 V výstup se 2 A.
• Opravený výstup 3,3 V s 1A.
• Dva USB porty pro nabíjení telefonů na 1A.

Napájecí zdroj nepoužívá žádný transformátor, místo toho snižuje konstantní vstupní napětí v rozsahu 15-35V na mnoho různých napětí na výstupu. Tuto jednotku tedy můžete napájet jakýmkoli SMPS se jmenovitým napětím 15-35V a proudem 2-5A NEBO napájením transformátoru se stejnými specifikacemi.

Krok 1: Příprava

1. Přejděte na https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download a stáhněte si software Eagle schematic capture pro svůj operační systém.
2. Přejděte na https://www.sketchup.com/download a stáhněte si nejnovější verzi SketchUp a nainstalujte ji.
3. Najděte dobrý SMPS s napětím mezi 15-36V NEBO vytvořte napájecí zdroj na bázi transformátoru s výstupním napětím 15-36V DC.

Krok 2: Schéma

Schéma vám poskytne náhled na můj plán. Nebyl však navržen tak, aby generoval soubor PCB, protože pro své jednorázové návrhy obvykle používám perfboard. Nestaral jsem se tedy o balíčky komponent. Pokud chcete vytvořit rozvržení desky plošných spojů, musíte vybrat správné balíčky. Pro každý jsou tři tranzistory LM317 LM a tři tranzistory PNP TIP2955 PNP. Každý z těchto LM317 sníží vstup 36 V na naprogramovaná napětí. U2 bude vydávat konstantní napětí 12V, U3 bude vydávat proměnné napětí a U1 bude produkovat pomocné napětí 12V pro další regulátory 5V a 3,3, aby se snížilo jimi odváděné teplo.

LM317 může poskytovat výstupní proud přesahující 1,5 A. Ale v tomto případě, s velkým rozdílem vstupního a výstupního napětí, bude LM317 muset odvádět přebytečný výkon jako teplo; tolik tepla. Používáme tedy průchodové prvky. Zde jsem použil napájecí tranzistor TIP2955 jako průchozí prvek na kladné straně. Jako průchozí prvek na negativní straně nebo na výstupní straně můžete použít TIP3055 nebo 2N3055. Ale důvod, proč jsem si vybral PNP, je ten, že nemění výstupní napětí, jak by to dělaly tranzistory NPN (výstup bude o +0,7 V vyšší, když se použije NPN). Tranzistory PNP se používají jako průchozí prvky v regulátorech s nízkým výpadkem a ultra nízkým výpadkem. Ale vykazují některé problémy se stabilitou výstupu, které lze zmírnit přidáním kondenzátorů na výstup.

2W odpory R5, R7 a R9 budou produkovat dostatečné napětí k ovlivnění tranzistorů při nízkých proudech. Pomocný výstup 12V je připojen ke vstupům tří LM2940 ultra nízkých výpadků 5V 1A regulátorů, z nichž dva jsou použity pro výstupy USB a druhý je pro výstup na předním panelu. Jeden z 5V výstupu je připojen k regulátoru AMS1117 pro výstup 3,3V. Je to tedy řada sítí různých regulátorů.

Proměnný výstup je převzat z U3, jak ukazuje schéma. Pro hrubé a jemné nastavení výstupního napětí jsem použil 5K potenciometr v sérii s 1K potenciometrem. Modul voltmetru DSN DVM-368 (návod na mých webových stránkách) je připojen k proměnnému výstupu a zobrazuje napětí na předním panelu. Úpravy, které je třeba provést na modulu voltmetru, najdete v části „Zapojení“. Můžete použít jakékoli jiné moduly V nebo A bez větších úprav.

Zde si stáhněte obrázek schématu-p.webp

Krok 3: 3D model SketchUp

Abych naplánoval umístění konektorů, přepínačů atd. A získal správné rozměry pro řezání desky MDF, hliníkového kanálu atd., Nejprve jsem ve SketchUpu navrhl 3D model krabice napájecího zdroje. Všechny komponenty jsem už měl u sebe. Navrhování modelu bylo tedy snadné. Použil jsem MDF desku tloušťky 6 mm a hliníkové výlisky (úhel) o velikosti 25 mm a tloušťce 2 mm. Soubor modelu SketchUp si můžete stáhnout pomocí níže uvedeného odkazu.

Soubor LM317 PSU SketchUp 2014: Stáhněte si soubor níže. Tento materiál si můžete zdarma stáhnout, upravit a znovu distribuovat.

Krok 4: Shromážděte nástroje a součásti

Jedná se o požadovaný materiál, nástroje a součásti.

Pro PSU box,

• MDF deska o tloušťce 6 mm.
• Hliníkové úhlové výlisky - velikost 25 mm, tloušťka 2 mm.
• 25 mm strojní šrouby s drážkou, kulatou hlavou a kompatibilními maticemi a podložkami.
• Akrylový nebo ABS plech o tloušťce 3-4 mm.
• Starý hliníkový chladič a ventilátor CPU.
• PVC nožičky o velikosti 1,5 cm.
• Matná černá barva ve spreji.
• MDF primer.

Pro obvodovou desku,

• 3x TIP2955 (balíček TO-247)
• Slídové izolátory pro tranzistory TO-247
• 3x LM317T
• 3x LM2940
• 1x AMS1117-3.3
• 3x 2W, 100 Ohm odpory
• 10x 100 nF keramické kondenzátory
• 6x diod 1N4007
• 470 uF, 40V elektrolytické krytky
• 1x dioda 6A4
• 3x 1K odpory
• 3x 200 Ohm odpory
• 1x 3-4A pojistky a držáky pojistek
• 100 uF, 10V elektrolytické krytky
• 1x 1K lineární potenciometr
• 1x 5K lineární potenciometr
• 2x knoflíky potenciometru
• 2 pinové svorkovnice
• Chladiče pro balíčky TO220
• Chladicí pasta
• 4x SPST Přepínač/páčka
• Kabely a vodiče ze starých počítačových napájecích zdrojů
• Smršťovací bužírky 3 mm a 5 mm
• Perforovaná matrice PCB
• Samčí kolíkové hlavičky
• 2x female USB typ A receptory
• 4x konektory reproduktoru NEBO 8x vázací sloupky
• 1x kolébkový přepínač SPST/DPDT
• 4x LED 3mm/5mm
• 1x voltmetr DSN-DVM-368
• 5x zásuvkový konektor DC (šroubovatelný)
• Plastové distanční sloupky

Nástroje

• Listy pily
• Vrtačka
• Nosní hráč
• Různé typy souborů
• Různé typy klíčů
• Měřicí páska
• Černá permanentní značka CD
• Mnoho typů šroubováků a plochých šroubováků Philips (koupit sadu)
• Zatahovací nůž a čepele
• Rotační nástroj (není nutný, pokud máte dovednosti)
• Brusné papíry o zrnitosti 300 a 400
• Kleště (na měděné dráty)
• Multimetr
• Páječka
• Pájecí drát a tavidlo
• Odstraňovače drátů
• Pinzeta
• A jakýkoli nástroj, který najdete.
• Znečištění/prachová maska chránící před nátěrem.

Krok 5: Sestavení desky plošných spojů

Odřízněte perfboard podle svého požadavku. Poté umístěte a pájejte součásti podle schématu. Nedělal jsem soubor PCB pro leptání. Můžete však použít níže uvedený schematický soubor Eagle k vlastní výrobě desek plošných spojů. V opačném případě použijte svou vynalézavost k plánování umístění a směrování a pájení všeho pěkně. Umyjte desku plošných spojů roztokem IPA (isopropylalkohol), abyste vyčistili veškeré zbytky pájky.

Krok 6: Sestavení krabice

Všechny rozměry, pomocí kterých se má řezat deska MDF, hliníkové kanály, rozměry otvorů, umístění otvorů a všechny jsou v modelu SketchUp. Stačí otevřít soubor ve SketchUp. Seskupil jsem části dohromady, takže můžete snadno skrýt části modelu a pomocí nástroje Změřit změřit rozměry. Všechny rozměry jsou v mm nebo cm. K vrtání otvorů použijte bity 5 mm. Vždy zkontrolujte zarovnání otvorů a dalších částí, abyste se ujistili, že se vše bude snadno shodovat. Pomocí brusného papíru vyhlaďte povrch MDF a hliníkových kanálů.

Po prozkoumání 3D modelu získáte představu o tom, jak postavit krabici. Můžete jej upravit podle svých potřeb. Je to místo, kde můžete maximálně využít svoji kreativitu a fantazii.

Na přední panel použijte akrylový nebo ABS list a vyřízněte do něj otvory pomocí laserové řezačky, pokud k ní máte přístup. Ale bohužel jsem neměl laserový stroj a najít ho by byl únavný úkol. Rozhodl jsem se tedy držet tradičního přístupu. Našel jsem plastové rámečky a krabice ze starých ledniček ze šrotu. Vlastně jsem je koupil za nepřiměřenou cenu. Jeden z rámů byl dostatečně silný a plochý, aby mohl být použit jako přední panel; nebyla ani příliš tlustá, ani příliš tenká. Řezal jsem to správnými měřeními a vyvrtal a vyřezal do něj otvory, abych pojal všechny přepínače a výstupní konektory. Pilová pila a vrtačka byly mými hlavními nástroji.

Vzhledem ke specifickému designu krabice můžete čelit problému s připevněním předního panelu ke zbytku krabice. Lepil jsem plastové kusy ABS plastu za přední čelní úhly a přišrouboval jsem je přímo, aniž bych potřeboval matice. Budete muset udělat něco takového nebo něco lepšího.

Na chladič jsem použil jeden ze starého chladiče CPU. Vyvrtal jsem do něj otvory a mezi sebou pro elektrickou izolaci připevnil všechny tři propustné tranzistory slídovými izolátory (TO JE DŮLEŽITÉ!). Uvědomil jsem si, že samotný chladič by tuto práci neudělal, později jsem přidal chladicí ventilátor z vnější strany chladiče a připojil jej k pomocnému 12V.

Krok 7: Malování krabice

Nejprve musíte MDF přebrousit brusným papírem o zrnitosti 300 nebo 400. Poté naneste tenkou, rovnoměrnou vrstvu základního nátěru na dřevo nebo MDF. Poté, co je první vrstva dostatečně vysušena, naneste další vrstvu. Opakujte to podle svého požadavku a nechte 1 nebo 2 dny zaschnout. Před nástřikem barvy musíte základní vrstvu zbrousit. Malování je snadné pomocí stlačených plechovek s barvou.

Krok 8: Zapojení

Upevněte desku, kterou jste připájili, do středu spodního listu a přišroubujte ji pomocí malých strojních šroubů a mezer mezi nimi. Použil jsem vodiče ze starých počítačových napájecích zdrojů, protože mají dobrou kvalitu. Můžete buď pájet vodiče přímo na desku, nebo použít konektory nebo vývody. PSU jsem vyrobil ve spěchu, takže jsem nepoužil žádné konektory. Doporučuje se však používat konektory kdykoli a kdekoli je to možné, aby bylo vše modulární a snadno se montovalo a rozebíralo.

Při zapojování a počátečním testování jsem narazil na docela podivné problémy. První byla nestabilita výstupu. Protože používáme PNP průchodové prvky, výstup by osciloval a poskytoval snížené efektivní stejnosměrné napětí na měřiči. K vyřešení tohoto problému jsem musel připojit vysoce hodnotné elektrolytické kondenzátory. Dalším problémem byl rozdíl ve výstupním napětí na desce a na výstupních konektorech! Stále nevím, v čem přesně je problém, ale vyřešil jsem to pájením některých vysoce hodnotných rezistorů, 1K, 4,7K atd., Přímo na výstupní svorky. K naprogramování výstupů Aux 12V a hlavní 12V jsem použil hodnotu rezistoru 2K (1K+1K).

Voltmetr DSN-DVM-368 potřebujeme pouze pro variabilní výstup, protože všechny ostatní výstupy jsou pevné. Nejprve musíte odpojit (DŮLEŽITÉ!) Propojku (propojku 1), jak je znázorněno na obrázku, poté použít tři vodiče jako ve schématu. Voltmetr má uvnitř již 5V regulátor. Napájení 12V přímo do něj způsobí nežádoucí zahřívání. Mezi vstupem AUX 12V a Vcc voltmetru tedy používáme regulátor 7809, 9V. 7809 jsem musel udělat „plovoucí“součástku, protože byla přidána poté, co jsem desku pájel.

Krok 9: Testování

Připojte SMPS s jmenovitým napětím mezi 15-35V a proudem minimálně 2A ke vstupu desky přes DC barel jack. Použil jsem 36V 2A SMPS s vestavěnou nadproudovou ochranou (vypnutím). Viz výše uvedená tabulka měření ze zatěžovacího testu.

Regulace zátěže zde není tak dobrá kvůli omezení výstupního výkonu SMPS, který používám. Omezí proud a vypnutí při vysokých proudech. Nemohl jsem tedy provést testy nárazového proudu. Až do 14 V se regulace zatížení zdála dobrá. Ale nad nastaveným napětím 15 V (#8, #9, #10), když připojím zátěž, výstupní napětí se sníží na přibližně 15 V s konstantním proudem 3,24 A. Při #10 je nabité napětí polovina nastaveného napětí při proudu 3,24A! Takže to vypadalo, že můj SMPS neposkytuje dostatečný proud, aby udržel napětí na tom, co je nastaveno. Maximální výkon, kterého jsem byl schopen dosáhnout, byl u #11, 58W. Dokud tedy budete mít výstupní proud nízký, výstupní napětí zůstane tam, kde má. Vždy sledujte napětí, proud a teplotu chladiče, protože tam bude rozptýleno značné množství energie.

Krok 10: Dokončení

Jakmile dokončíte testy, sestavte vše a označte přední panel tak, jak se vám líbí. Přední panel jsem natřel stříbrnou barvou a permanentním fixem označil věci (není to hezký způsob). Na přední stranu jsem nalepil samolepku, kterou jsem dostal s mým prvním Arduinem.

Krok 11: Klady a zápory

Tento design napájecího zdroje má mnoho výhod a nevýhod. Vždy stojí za to je studovat.

Výhody

• Snadno se navrhuje, staví a upravuje, protože je to lineární regulovaný napájecí zdroj.
• Méně nežádoucích zvlnění na výstupu ve srovnání s běžnými jednotkami SMPS.
• Méně produkovaného rušení EM/RF.

Nevýhody

• Špatná účinnost - většina energie se ztrácí jako teplo v chladičích.
• Špatná regulace zátěže ve srovnání s návrhem napájecího zdroje SMPS.
• Velké rozměry ve srovnání s podobnými výkonovými SMPS.
• Žádné měření proudu nebo omezení.

Krok 12: Odstraňování problémů

Digitální multimetr je nejlepší nástroj pro řešení problémů s napájením. Před pájením pomocí prkénka zkontrolujte všechny regulátory. Pokud máte dva DMM, je možné měřit proud a napětí současně.

1. Pokud na výstupu není napájení, zkontrolujte napětí na vstupním kolíku, na vstupních pinech regulátoru a znovu zkontrolujte, zda jsou připojení desek plošných spojů správná.
2. Pokud zjistíte, že výstup osciluje, přidejte poblíž výstupních svorek elektrolytický kondenzátor o hodnotě nejméně 47 uF. Můžete je pájet přímo na výstupní svorky.
3. Nezkratujte výstupy a nepřipojujte na výstupy zátěž s nízkou impedancí. Mohlo by to způsobit selhání regulátorů, protože v našem návrhu není žádné omezení proudu. Na hlavním vstupu použijte vhodnou pojistku.

Krok 13: Vylepšení

Toto je základní lineární napájecí zdroj. Je tedy mnoho věcí, které můžete zlepšit. Postavil jsem to ve spěchu, protože jsem tak nutně potřeboval nějaký druh variabilního napájení. S pomocí tohoto mohu v budoucnu vybudovat lepší „Precision Digital Power Supply“. Nyní uvádíme několik způsobů, jak můžete vylepšit současný design,

1. Použili jsme lineární regulátory jako LM317, LM2940 atd. Jak jsem již řekl, tyto jsou tak neúčinné a nelze je použít pro bateriové napájení. Co tedy můžete udělat, je najít jeden z těch levných DC-DC buck modulů z jakéhokoli internetového obchodu a nahradit jím lineární regulátory. Jsou efektivnější (> 90%), mají lepší regulaci zátěže, větší proudovou kapacitu, omezení proudu, ochranu proti zkratu a podobně. LM2596 je jedním z těchto druhů. Moduly Buck (step down) budou mít nahoře přesný potenciometr. Můžete jej nahradit „víceotáčkovým potenciometrem“a použít jej na předním panelu místo běžných lineárních hrnců. Získáte tak větší kontrolu nad výstupním napětím.
2. Použili jsme zde pouze voltmetr, takže jsme slepí ohledně proudu, který naše napájecí zdroj dodává. K dispozici jsou levné měřicí moduly „Napětí a proud“. Kupte si jeden a přidejte k výstupu, pro každý výstup může být jeden.
3. V našem designu nejsou žádné současné omezující funkce. Zkuste to tedy vylepšit přidáním funkce omezující proud.
4. Pokud je váš ventilátor chladiče hlučný, zkuste přidat ovladač ventilátoru citlivý na teplotu s regulací otáček.
5. Lze snadno přidat funkci nabíjení baterie.
6. Oddělené výstupy pro testování LED.

První cena v soutěži o napájecí zdroj