LM317 gebaseerde DIY variabele benchtop voeding - Ajarnpa

2025 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2025-01-13 06:57

Een voeding is zonder twijfel een absoluut noodzakelijke uitrusting voor elk elektronicalab of iedereen die elektronicaprojecten wil doen, vooral een variabele voeding. In deze tutorial laat ik je zien hoe ik een op LM317 lineaire positieve regelaar gebaseerde variabele 1,2-30V (1,2V naar ingangsspanning-2,7V eigenlijk) voeding heb gebouwd.

Dit zijn de functies die ik wilde dat mijn PSU had.

• Eén variabele uitgang met minimale stroom 2 A.
• Vaste 12 V-uitgang met 2A.
• Vaste 5 V-uitgang met 2 A.
• Vaste 3,3 V-uitgang met 1A.
• Twee USB-poorten voor het opladen van telefoons met 1A.

De voeding gebruikt geen transformator, maar reduceert de constante ingangsspanning in het bereik van 15-35V tot veel verschillende spanningen aan de uitgang. U kunt dit apparaat dus van stroom voorzien door elke SMPS met een nominale spanning van 15-35V en een stroomsterkte van 2-5A OF een transformatorvoeding met dezelfde specificaties.

Stap 1: Voorbereiden

1. Ga naar https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download en download Eagle schematische opnamesoftware voor uw besturingssysteem.
2. Ga naar https://www.sketchup.com/download en download de nieuwste versie van SketchUp en installeer deze.
3. Zoek een goede SMPS met een nominale spanning tussen 15-36V OF maak een voeding op basis van een transformator met een uitgangsspanning van 15-36V DC.

Stap 2: Schema

Het schema geeft u inzicht in mijn plan. Maar het was niet ontworpen om een PCB-bestand te genereren, zoals ik gewoonlijk perfboard voor mijn eenmalige ontwerpen. Dus ik gaf niet om de componentenpakketten. U moet de juiste pakketten selecteren als u een PCB-lay-out wilt maken. Er zijn drie LM317's en drie TIP2955 PNP-doorlaattransistors voor elk. Elk van die LM317's reduceert de 36V-ingang tot geprogrammeerde spanningen. U2 zal een constante 12V afgeven, U3 zal een variabele spanning afgeven en U1 zal een extra 12V produceren voor andere 5V- en 3.3-regelaars om de door hen afgevoerde warmte te verminderen.

LM317 kan een uitgangsstroom van meer dan 1,5 A leveren. Maar in dit geval, met een groot verschil in ingangs- en uitgangsspanningen, zal de LM317 het overtollige vermogen als warmte moeten afvoeren; zoveel warmte. We gebruiken dus pass-elementen. Hier heb ik TIP2955 vermogenstransistor gebruikt als doorlaatelement aan de positieve kant. U kunt TIP3055 of 2N3055 gebruiken als doorlaatelement aan de negatieve kant of de uitvoerkant. Maar de reden dat ik voor PNP's heb gekozen, is omdat ze de uitgangsspanning niet veranderen zoals NPN-transistoren zouden doen (uitgang zal +0,7 V hoger zijn wanneer NPN wordt gebruikt). PNP-transistoren worden gebruikt als doorlaatelementen in regelaars met lage uitval en ultralage uitval. Maar ze vertonen enkele problemen met de uitvoerstabiliteit die kunnen worden verzacht door condensatoren aan de uitgang toe te voegen.

De 2W-weerstanden R5, R7 en R9 zullen voldoende spanning produceren om de doorlaattransistoren bij lage stromen voor te spannen. De extra 12V-uitgang is verbonden met ingangen van drie LM2940 ultra-low drop-out 5V 1A-regelaars, waarvan er twee worden gebruikt voor USB-uitgangen en de andere voor uitgang op het voorpaneel. Een van de 5V-uitgangen is verbonden met een AMS1117-regelaar voor 3,3V-uitgang. Het is dus een serienetwerk van verschillende toezichthouders.

De variabele output is afkomstig van U3 zoals weergegeven in het schema. Ik heb een 5K-potentiometer in serie met een 1K-potmeter gebruikt om de uitgangsspanning grof en fijn af te stellen. Een DSN DVM-368 (tutorial op mijn website) voltmetermodule is aangesloten op de variabele uitgang om de spanning op het voorpaneel weer te geven. Zie het gedeelte "Bekabeling" om de wijzigingen te zien die aan de voltmetermodule moeten worden aangebracht. U kunt alle andere V- of A-modules gebruiken zonder veel aanpassingen.

Download hier een PNG-afbeelding met hoge resolutie van het schema. Of download verschillende formaten van Instructables:

Stap 3: SketchUp 3D-model

Om de plaatsing van connectoren, schakelaars enz. te plannen en de juiste afmetingen te krijgen voor het snijden van MDF-plaat, aluminium kanaal enz., ontwierp ik eerst een 3D-model van de PSU-box in SketchUp. Ik had alle onderdelen al bij me. Het ontwerpen van het model was dus eenvoudig. Ik gebruikte MDF-plaat met een dikte van 6 mm en aluminium profielen (hoek) van 25 mm en een dikte van 2 mm. U kunt het SketchUp-modelbestand downloaden via de onderstaande link.

LM317 PSU SketchUp 2014-bestand: Download het onderstaande bestand. U bent vrij om dit materiaal te downloaden, aan te passen en opnieuw te verspreiden.

Stap 4: Verzamel gereedschappen en onderdelen

Dit zijn het benodigde materiaal, gereedschap en componenten.

Voor PSU-doos,

• MDF plaat dikte 6 mm.
• Aluminium hoekprofielen - maat 25 mm, dikte 2 mm.
• 25 mm machineschroeven met sleufkop, ronde kop en compatibele moeren en ringen.
• Acryl of ABS plaat dikte 3-4 mm.
• Oude CPU aluminium koellichaam en ventilator.
• PVC voetjes maat 1,5 cm.
• Mat zwarte spuitbus.
• MDF-primer.

Voor printplaat,

• 3x TIP2955 (TO-247 pakket)
• Mica-isolatoren voor TO-247-transistoren
• 3x LM317T
• 3x LM2940
• 1x AMS1117-3.3
• 3x 2W, 100 Ohm weerstanden
• 10x 100 nF keramische condensatoren
• 6x 1N4007-diodes
• 470 uF, 40V elektrolytische doppen
• 1x 6A4-diode
• 3x 1K weerstanden
• 3x 200 Ohm weerstanden
• 1x 3-4A zekeringen en zekeringhouders
• 100 uF, 10V elektrolytische doppen
• 1x 1K lineaire potentiometer
• 1x 5K lineaire potentiometer
• 2x Potentiometer knoppen
• 2-polige aansluitblokken
• Koellichamen voor TO220-pakketten
• Koellichaam pasta
• 4x SPST tuimel-/hendelschakelaars
• Kabels en draden van oude pc-voedingen
• Krimpkousen van 3 mm en 5 mm
• Geperforeerde matrix PCB
• Mannelijke pin-headers
• 2x vrouwelijke USB type A-receptoren
• 4x Luidsprekeraansluitingen OF 8x bindingsposten
• 1x SPST/DPDT tuimelschakelaar
• 4x 3 mm/5 mm LED's
• 1x DSN-DVM-368 voltmeter
• 5x vrouwelijke DC barrel connectoren (schroefbaar)
• Kunststof afstandhouders

Gereedschap

• Ijzerzaagbladen
• Dril machine
• Neus speler
• Verschillende soorten bestanden
• Verschillende soorten sleutels
• Meetlint
• Zwarte permanente cd-marker
• Veel soorten Philips en sleufschroevendraaiers (koop een kit)
• Intrekbaar mes en messen
• Roterend gereedschap (niet nodig als je vaardigheid hebt)
• Schuurpapier met korrelgrootte 300 en 400
• Nipper (voor koperdraden)
• Multimeter
• Soldeerbout
• Soldeerdraad en flux
• Draadstrippers
• Pincet
• En elk hulpmiddel dat u kunt vinden.
• Vervuiling/stofmasker ter bescherming tegen verf.

Stap 5: De printplaat bouwen

Snijd de perfboard volgens uw vereiste. Plaats en soldeer vervolgens componenten volgens het schema. Ik heb geen PCB-bestand gemaakt om te etsen. Maar u kunt het onderstaande Eagle-schemabestand gebruiken om zelf een PCB te maken. Gebruik anders je vindingrijkheid om de plaatsingen en routing te plannen en alles mooi te solderen. Was de printplaat met IPA-oplossing (isopropylalcohol) om eventuele soldeerresten te verwijderen.

Stap 6: De doos bouwen

Alle afmetingen waarmee de MDF-plaat, aluminium kanalen moeten worden gesneden, gatafmetingen, gatplaatsingen en alles zit in het SketchUp-model. Open het bestand gewoon in SketchUp. Ik heb onderdelen gegroepeerd, zodat je gemakkelijk delen van het model kunt verbergen en het gereedschap Meten kunt gebruiken om de afmetingen te meten. Alle afmetingen zijn in mm of cm. Gebruik 5 mm bits voor het boren van gaten. Controleer altijd op uitlijning van gaten en andere onderdelen om er zeker van te zijn dat alles gemakkelijk bij elkaar past. Gebruik schuurpapier om het oppervlak van MDF- en aluminiumkanalen glad te strijken.

Je krijgt het idee hoe je de doos moet bouwen als je het 3D-model bekijkt. U kunt het aanpassen aan uw behoeften. Dit is een plek waar je je creativiteit en fantasie maximaal kunt benutten.

Gebruik voor het voorpaneel acryl- of ABS-plaat en snij er gaten in met een lasersnijder als je er toegang toe hebt. Maar helaas had ik geen lasermachine en het zou een vervelende klus zijn om er een te vinden. Dus besloot ik vast te houden aan de traditionele aanpak. Ik vond plastic frames en dozen van oude koelkasten van een schrootwinkel. Ik heb ze eigenlijk voor een onredelijke prijs gekocht. Een van dat frame was dik en plat genoeg om als frontpaneel te gebruiken; het was niet te dik en niet te dun. Ik heb het met de juiste afmetingen uitgesneden en er gaten in geboord en gesneden, om alle schakelaars en uitgangsconnectoren te huisvesten. Een ijzerzaag en een boormachine waren mijn belangrijkste gereedschappen.

Vanwege het specifieke ontwerp van de doos, kunt u problemen ondervinden bij het bevestigen van het voorpaneel aan de rest van de doos. Ik heb plastic stukjes ABS-plastic achter de voorste hoeken gelijmd en er direct op geschroefd zonder dat er moeren nodig zijn. Je zult iets als dit of iets beters moeten doen.

Voor de heatsink heb ik er een gebruikt van een oude CPU-koeler. Ik boorde er gaten in en bevestigde alle drie de doorgangstransistoren met mica-isolatoren (DIT IS BELANGRIJK!) ertussen voor elektrische isolatie. Omdat ik me realiseerde dat alleen het koellichaam niet genoeg zou zijn, voegde ik later een koelventilator toe vanaf de buitenkant van het koellichaam en verbond deze met de extra 12V.

Stap 7: De doos schilderen

Eerst moet je de MDF schuren met schuurpapier met korrel 300 of 400. Breng vervolgens een dunne, egale laag houtprimer of MDF-primer aan. Breng nog een laag aan nadat de eerste laag voldoende is gedroogd. Herhaal dit volgens uw behoefte en laat het 1 of 2 dagen drogen. U moet de grondlaag schuren voordat u de verf kunt spuiten. Schilderen is eenvoudig met behulp van samengeperste verfblikken.

Stap 8: Bedrading

Bevestig het bord dat u in het midden van het onderste blad hebt gesoldeerd en schroef het vast met kleine machineschroeven en afstandhouders ertussen. Ik gebruikte draden van oude computervoedingen omdat ze van goede kwaliteit zijn. U kunt draden rechtstreeks op het bord solderen of connectoren of pin-headers gebruiken. Ik heb de PSU in een haast gemaakt, dus ik heb geen connectoren gebruikt. Maar het is aan te raden om waar en wanneer mogelijk connectoren te gebruiken, om alles modulair te maken en gemakkelijk te monteren en demonteren.

Ik was nogal vreemde problemen tegengekomen tijdens de bedrading en de eerste tests. De eerste was de instabiliteit van de output. Omdat we PNP-doorlaatelementen gebruiken, zou de uitvoer oscilleren, wat een verminderde effectieve gelijkspanning op de meter oplevert. Ik moest hoogwaardige elektrolytische condensatoren aansluiten om dit probleem te verhelpen. Het volgende probleem was het verschil in uitgangsspanning in het bord en bij de uitgangsconnectoren! Ik weet nog steeds niet precies wat het probleem is, maar ik heb dit opgelost door enkele hoogwaardige weerstanden, 1K, 4.7K enz., direct op de uitgangsklemmen te solderen. Ik heb een weerstandswaarde van 2K (1K+1K) gebruikt om de Aux 12V- en 12V-hoofduitgangen te programmeren.

We hebben alleen de DSN-DVM-368 voltmeter nodig voor de variabele uitgang, aangezien alle andere uitgangen vast zijn. Eerst moet u (BELANGRIJK!) de jumper (Jumper 1) loskoppelen zoals weergegeven in de afbeelding en vervolgens de drie draden gebruiken zoals in het schema. De voltmeter heeft al een 5V-regelaar erin. Het rechtstreeks voeden van 12V zal ongewenste verhitting veroorzaken. Dus gebruiken we een 7809, 9V-regelaar tussen de AUX 12V en de Vcc-ingang van de voltmeter. Ik moest van de 7809 een "zwevend" onderdeel maken omdat het werd toegevoegd nadat ik het bord had gesoldeerd.

Stap 9: Testen

Sluit een SMPS met een nominale spanning tussen 15-35V en een stroomsterkte van minimaal 2A aan op de ingang van het bord via een DC-cilinderaansluiting. Ik gebruikte 36V 2A SMPS met ingebouwde overstroombeveiliging (uitschakeling). Zie hierboven de tabel met metingen uit de belastingstest.

De belastingsregeling is hier niet zo goed vanwege de beperking van het uitgangsvermogen van de SMPS die ik gebruik. Het zal de stroom beperken en uitschakelen bij hoge stromen. Dus ik kon geen overspanningstests uitvoeren. Tot 14V leek de belastingsregeling goed. Maar boven de ingestelde spanning van 15V (# 8, #9, #10), als ik de belasting aansluit, zal de uitgangsspanning afnemen tot ongeveer 15V met een constante stroom van 3,24A. Bij #10 is de geladen spanning de helft van de ingestelde spanning bij 3,24A stroom! Het leek er dus op dat mijn SMPS niet genoeg stroom leverde om de spanning op de ingestelde waarde te houden. Het maximale vermogen dat ik kon krijgen was op #11 van 58W. Dus zolang je de uitgangsstroom laag houdt, blijft de uitgangsspanning waar het hoort. Houd altijd de spanning, stroom en de temperatuur van het koellichaam in de gaten, omdat daar een aanzienlijke hoeveelheid stroom wordt afgevoerd.

Stap 10: Afwerking

Als u klaar bent met de tests, zet u alles in elkaar en labelt u het voorpaneel zoals u dat wilt. Ik schilderde het voorpaneel met zilververf en gebruikte een permanente marker om dingen te labelen (niet een leuke manier om te doen). Ik plakte een DIY-sticker die ik bij mijn eerste Arduino kreeg, op de voorkant.

Stap 11: Voors en tegens

Er zijn veel voordelen en nadelen aan dit ontwerp van de voeding. Het is altijd de moeite waard om ze te bestuderen.

Voordelen:

• Eenvoudig te ontwerpen, te bouwen en aan te passen omdat het een lineair geregelde voeding is.
• Minder ongewenste rimpelingen aan de uitgang in vergelijking met gewone SMPS-units.
• Minder EM/RF-interferentie geproduceerd.

nadelen

• Slechte efficiëntie - het grootste deel van het vermogen wordt verspild als warmte aan de koellichamen.
• Slechte belastingsregeling vergeleken met SMPS-voedingsontwerp.
• Groot van formaat in vergelijking met vergelijkbare power-SMPS'en.
• Geen stroommeting of begrenzing.

Stap 12: Problemen oplossen

Een digitale multimeter is het beste hulpmiddel om problemen met de stroomvoorziening op te lossen. Controleer alle regelaars voordat u gaat solderen met een breadboard. Als je twee DMM's hebt, is het mogelijk om de stroom en spanning tegelijkertijd te meten.

1. Als er geen stroom is aan de uitgang, controleer dan de spanningen van de ingangspen, op de ingangspennen van de regelaar en controleer nogmaals of de PCB-aansluitingen correct zijn.
2. Als u merkt dat de uitgang oscilleert, voeg dan een elektrolytische condensator toe met een waarde van niet minder dan 47 uF in de buurt van de uitgangsklemmen. U kunt ze rechtstreeks op de uitgangsklemmen solderen.
3. Sluit de uitgangen niet kort en sluit geen belasting met lage impedantie aan op de uitgangen. Het kan ertoe leiden dat de regelaars falen, omdat er geen stroombeperking is in ons ontwerp. Gebruik een geschikte zekering op de hoofdingang.

Stap 13: Verbeteringen

Dit is een lineaire basisvoeding. Er is dus veel dat u kunt verbeteren. Ik heb dit in een haast gebouwd omdat ik zo'n soort variabele voeding zo hard nodig had. Met behulp hiervan kan ik in de toekomst een betere "Precision Digital Power Supply" bouwen. Hier zijn enkele manieren waarop u het huidige ontwerp kunt verbeteren,

1. We gebruikten lineaire regelaars zoals LM317, LM2940 enz. Zoals ik al eerder zei, deze zijn zo inefficiënt en kunnen niet worden gebruikt voor een opstelling op batterijen. Dus wat u kunt doen, is een van die goedkope DC-DC buck-modules in elke online winkel zoeken en de lineaire regelaars ermee vervangen. Ze zijn efficiënter (> 90%), hebben een betere belastingsregeling, meer stroomcapaciteit, stroombegrenzing, kortsluitbeveiliging en alles. LM2596 is er zo een. De buck (step down)-modules hebben een precisiepotentiometer bovenop. U kunt deze vervangen door een "multi-turn potentiometer" en deze op het frontpaneel gebruiken in plaats van normale lineaire potten. Dat geeft je meer controle over de uitgangsspanning.
2. We hebben hier alleen een voltmeter gebruikt, dus we zijn blind voor de stroom die onze PSU levert. Er zijn goedkope "Spanning en Stroom" meetmodules verkrijgbaar. Koop er een en voeg toe aan de output, mogelijk één voor elke output.
3. Er is geen stroombeperkende functie in ons ontwerp. Probeer het dus te verbeteren door een stroombegrenzingsfunctie toe te voegen.
4. Als uw koellichaamventilator veel lawaai maakt, kunt u proberen een temperatuurgevoelige ventilatorcontroller toe te voegen die mogelijk snelheidsregeling heeft.
5. Een batterijoplaadfunctie kan eenvoudig worden toegevoegd.
6. Aparte uitgangen voor LED-testen.

Eerste prijs in de Power Supply Contest