LM317 -pohjainen DIY -muuttuva työpöydän virtalähde: 13 vaihetta (kuvilla)

2025 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2025-01-13 06:57

Virtalähde on kiistatta ehdottoman välttämätön laite kaikille elektroniikkalaboratorioille tai kaikille, jotka haluavat tehdä elektroniikkaprojekteja, erityisesti muuttuvaa virtalähdettä. Tässä opetusohjelmassa näytän sinulle, kuinka rakensin LM317-lineaarisen positiivisen säädinpohjaisen muuttujan 1,2-30 V (1,2 V tulojännitteeseen-2,7 V) virtalähteen.

Nämä ovat ominaisuuksia, jotka halusin virtalähteelleni.

• Yksi muuttuva lähtö minimivirralla 2 A.
• Kiinteä 12 V lähtö 2A.
• Kiinteä 5 V lähtö 2 A: lla.
• Kiinteä 3,3 V: n lähtö 1A: lla.
• Kaksi USB -porttia puhelimien lataamiseen 1A.

Virtalähde ei käytä mitään muuntajaa, vaan se pienentää 15-35 V: n jatkuvaa tulojännitettä moniin eri jännitteisiin ulostulossa. Joten voit käyttää tätä laitetta millä tahansa SMPS-laitteella, jonka nimellisjännite on 15-35 V ja virta 2-5A TAI muuntajan virtalähteellä, jolla on samat tiedot.

Vaihe 1: Valmistautuminen

1. Siirry osoitteeseen https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download ja lataa Eaglen kaavamainen kaappausohjelmisto käyttöjärjestelmääsi varten.
2. Siirry osoitteeseen https://www.sketchup.com/download ja lataa SketchUpin uusin versio ja asenna se.
3. Löydä hyvä SMPS, jonka jännite on 15-36V TAI tee muuntajapohjainen syöttö 15-36V DC-lähtöjännitteellä.

Vaihe 2: Kaavio

Kaavio antaa sinulle käsityksen suunnitelmistani. Mutta sitä ei ole suunniteltu luomaan PCB -tiedostoa, koska tavallisesti valmistan yksittäisiä malleja. Joten en välittänyt komponenttipaketeista. Sinun on valittava oikeat paketit, jos haluat luoda piirilevyasettelun. Jokaisessa on kolme LM317s ja kolme TIP2955 PNP pass -transistoria. Jokainen näistä LM317 -laitteista vähentää 36 V: n tulon ohjelmoituihin jännitteisiin. U2 antaa vakion 12 V, U3 antaa muuttuvan jännitteen ja U1 tuottaa 12 V: n apujännitteen muille 5 V: n ja 3.3: n säätimille niiden haihduttaman lämmön vähentämiseksi.

LM317 voi antaa yli 1,5 A: n lähtövirran. Mutta tässä tapauksessa, kun tulo- ja lähtöjännitteet ovat suuret, LM317: n on poistettava ylimääräinen teho lämmönä; niin paljon lämpöä. Käytämme siis pass -elementtejä. Tässä olen käyttänyt TIP2955 -tehotransistoria positiivisena puolina. Voit käyttää TIP3055: tä tai 2N3055: tä negatiivisena tai lähtöpuolella. Mutta syy, miksi valitsin PNP: n, on se, että ne eivät muuta lähtöjännitettä kuten NPN -transistorit tekisivät (lähtö on +0,7 V korkeampi, kun NPN: ää käytetään). PNP-transistoreita käytetään läpäisevinä elementteinä matalan keskeytyksen ja erittäin matalan pudotuksen säätimissä. Mutta niillä on joitain lähtövakausongelmia, joita voidaan lieventää lisäämällä lähtöihin kondensaattoreita.

2 W: n vastukset R5, R7 ja R9 tuottavat riittävän jännitteen, joka esijännittää transistorit pienillä virroilla. 12 V: n apulähtö on kytketty kolmen LM2940 ultra-low dropout 5V 1A -säätimen tuloihin, joista kahta käytetään USB-lähtöihin ja toista etupaneelin lähtöön. Yksi 5 V: n ulostulosta on kytketty AMS1117 -säätimeen 3,3 V: n lähtöä varten. Se on siis sarja eri sääntelyviranomaisia.

Muuttuva lähtö otetaan U3: sta kaavion mukaisesti. Käytin 5K -potentiometriä sarjaan 1K -potin kanssa, jotta ulostulojännite olisi karkea ja hieno. DSN DVM-368 (opetusohjelma verkkosivustollani) volttimittarimoduuli on kytketty muuttuvaan lähtöön jännitteen näyttämiseksi etupaneelissa. Katso osio "Johdotus" nähdäksesi muutokset, jotka on tehtävä voltimittarimoduuliin. Voit käyttää muita V- tai A -moduuleja ilman suuria muutoksia.

Lataa kaavion korkean resoluution-p.webp

Vaihe 3: SketchUp 3D -malli

Suunnitellakseni liittimien, kytkinten jne. Sijoittelun ja saadakseni oikeat mitat MDF -levyn, alumiinikanavan jne. Leikkaamiseksi, suunnittelin ensin 3D -mallin virtalähteestä SketchUpissa. Minulla oli jo kaikki komponentit mukana. Mallin suunnittelu oli siis helppoa. Käytin MDF -levyä, jonka paksuus oli 6 mm, ja alumiinipuristimia (kulma), joiden koko oli 25 mm ja paksuus 2 mm. Voit ladata SketchUp -mallitiedoston alla olevan linkin kautta.

LM317 PSU SketchUp 2014 -tiedosto: Lataa alla oleva tiedosto. Voit ladata, muokata ja jakaa tämän materiaalin ilmaiseksi.

Vaihe 4: Kerää työkalut ja osat

Nämä ovat tarvittavat materiaalit, työkalut ja komponentit.

Virtalähteen laatikko,

• MDF -levy, paksuus 6 mm.
• Alumiiniset kulmapuristimet - koko 25 mm, paksuus 2 mm.
• 25 mm koneruuvit, joissa on ura, pyöreä pää ja yhteensopivat mutterit ja aluslevyt.
• Akryyli- tai ABS-levy, paksuus 3-4 mm.
• Vanha suorittimen alumiininen jäähdytyselementti ja tuuletin.
• PVC -jalat, joiden koko on 1,5 cm.
• Matta musta spraymaali.
• MDF -pohjamaali.

Piirilevy,

• 3x TIP2955 (TO-247-paketti)
• Kiilleeristeet TO-247-transistoreille
• 3x LM317T
• 3x LM2940
• 1x AMS1117-3.3
• 3x 2W, 100 ohmin vastukset
• 10x 100 nF keraamiset kondensaattorit
• 6x 1N4007 diodia
• 470 uF, 40 V elektrolyyttikorkit
• 1x 6A4 diodi
• 3x 1K vastukset
• 3x 200 ohmin vastukset
• 1x 3-4A sulakkeet ja sulakkeenpitimet
• 100 uF, 10 V elektrolyyttikorkit
• 1x 1K lineaarinen potentiometri
• 1x 5K lineaarinen potentiometri
• 2x potentiometrin nupit
• 2 -napaiset riviliittimet
• Jäähdytyselementit TO220 -pakkauksille
• Jäähdytyselementti
• 4x SPST -kytkin/vipukytkin
• Kaapelit ja johdot vanhoista PC -virtalähteistä
• Lämmitä kutisteputket 3 mm ja 5 mm
• Rei'itetty matriisi -PCB
• Uros -nastaiset otsikot
• 2x naaraspuoliset USB -tyypin A -vastaanottimet
• 4x kaiutinliittimet TAI 8x kiinnityspylväät
• 1x SPST/DPDT -keinukytkin
• 4x 3mm/5mm LEDit
• 1x DSN-DVM-368 voltimetri
• 5x naaras DC -tynnyrin liittimet (ruuvattavat)
• Muoviset vasteet

Työkalut

• Sahanterät
• Porakone
• Nenäsoitin
• Erilaisia tiedostoja
• Erilaisia kiintoavaimia
• Mittanauha
• Musta pysyvä CD -merkki
• Monenlaiset Philips- ja uraruuvimeisselit (osta sarja)
• Sisäänvedettävä veitsi ja terät
• Pyörivä työkalu (ei välttämätön, jos sinulla on taitoa)
• 300 ja 400 hiekkapaperia
• Nippa (kuparilangoille)
• Yleismittari
• Juotin
• Juotoslanka ja virtaus
• Langanpoistimet
• Pinsetit
• Ja mitä tahansa työkalua löytyy.
• Saastuminen/pölynaamari suojaa maalilta.

Vaihe 5: Piirilevyn rakentaminen

Leikkaa parketti tarpeidesi mukaan. Aseta ja juota komponentit kaavion mukaisesti. En tehnyt PCB -tiedostoa etsausta varten. Mutta voit käyttää alla olevaa Eaglen kaaviotiedostoa PCB: n tekemiseen itse. Muussa tapauksessa käytä kekseliäisyyttäsi suunnitellaksesi sijoittelut ja reititys ja juottaa kaikki hienosti. Pese PCB IPA (isopropyylialkoholi) -liuoksella juotosjäännösten puhdistamiseksi.

Vaihe 6: Laatikon rakentaminen

Kaikki mitat, joilla MDF -levy, alumiinikanavat leikataan, reikien mitat, reikien sijoittelut ja kaikki ovat SketchUp -mallissa. Avaa tiedosto vain SketchUpissa. Olen ryhmitellyt osat yhteen, joten voit helposti piilottaa mallin osat ja mitata mitat mittaustyökalulla. Kaikki mitat ovat mm tai cm. Käytä 5 mm: n teriä reikien poraamiseen. Tarkista aina reikien ja muiden osien kohdistus, jotta kaikki sopivat helposti yhteen. Tasoita MDF- ja alumiinikanavien pinta hiekkapaperilla.

Saat idean laatikon rakentamisesta, kun tutkit 3D -mallia. Voit muokata sitä tarpeidesi mukaan. Tämä on paikka, jossa voit käyttää luovuuttasi ja mielikuvitustasi maksimaalisesti.

Käytä etupaneelissa akryyli- tai ABS -levyä ja leikkaa siihen reikiä laserleikkurilla, jos pääset käsiksi siihen. Mutta valitettavasti minulla ei ollut laserkonetta ja sen löytäminen olisi työläs tehtävä. Joten päätin jatkaa perinteistä lähestymistapaa. Löysin muovikehykset ja laatikot vanhoista jääkaapista romuravintolasta. Itse asiassa ostin ne kohtuuttomaan hintaan. Yksi tuosta kehyksestä oli tarpeeksi paksu ja tasainen käytettäväksi etupaneelina; se ei ollut liian paksu eikä liian ohut. Leikkasin sen oikeilla mitoilla ja porasin ja leikkasin siihen reikiä, jotta kaikki kytkimet ja lähtöliittimet mahtuisivat. Saha ja porakone olivat tärkeimmät työkaluni.

Laatikon erityisestä rakenteesta johtuen etupaneelin kiinnittäminen muuhun laatikkoon voi aiheuttaa ongelmia. Liimasin muovikappaleita ABS -muovia etupuolen kulmien taakse ja ruuvasin niihin suoraan ilman muttereita. Sinun on tehtävä jotain tällaista tai jotain parempaa.

Käytin jäähdytyselementtiä vanhasta CPU -jäähdyttimestä. Porasin siihen reikiä ja kiinnitin niiden välille kaikki kolme läpipääsytransistoria, joissa oli kiilleeristeitä (TÄMÄ ON TÄRKEÄÄ!) Sähköeristämiseksi. Ymmärsin, että jäähdytyselementti yksin ei tekisi työtä, lisäsin myöhemmin jäähdytyselementin jäähdytyselementin ulkopuolelta ja liitin sen 12 V: n lisälaitteeseen.

Vaihe 7: Laatikon maalaus

Ensin sinun on hiottava MDF 300 tai 400 karkeudella. Levitä sitten ohut, tasainen kerros puupohjamaalia tai MDF -pohjamaalia. Levitä toinen kerros, kun ensimmäinen kerros on kuivunut tarpeeksi. Toista tämä tarpeen mukaan ja anna sen kuivua 1 tai 2 päivää. Sinun on hiottava pohjamaali ennen maalin ruiskuttamista. Maalaus on helppoa käyttämällä puristettuja maalipulloja.

Vaihe 8: Johdotus

Kiinnitä juotoslevy pohjalevyn keskelle ja ruuvaa se pienillä koneen ruuveilla ja välilevyillä. Käytin johtoja vanhoista tietokoneen virtalähteistä, koska ne ovat hyvälaatuisia. Voit juottaa johdot suoraan levylle tai käyttää liittimiä tai nastojen otsikoita. Tein virtalähteen kiireellä, joten en käyttänyt mitään liittimiä. Mutta on suositeltavaa käyttää liittimiä aina ja aina kun se on mahdollista, jotta kaikki olisi modulaarista ja helppo koota ja purkaa.

Olin törmännyt melko kummallisiin ongelmiin johdotuksen ja alkutestauksen aikana. Ensimmäinen oli tuotannon epävakaus. Kun käytämme PNP -passuselementtejä, ulostulo värähtelee, mikä pienentää efektiivistä DC -jännitettä mittarissa. Minun oli liitettävä arvokkaita elektrolyyttikondensaattoreita korjaamaan tämä ongelma. Seuraava ongelma oli ero lähtöjännitteessä kortissa ja lähtöliittimissä! En vieläkään tiedä, mikä tarkalleen on ongelma, mutta ratkaisin tämän juottamalla joitain arvokkaita vastuksia, 1K, 4,7K jne., Suoraan lähtöliittimiin. Käytin 2K (1K+1K) vastuksen arvoa Aux 12V ja 12V päälähtöjen ohjelmointiin.

Tarvitsemme vain DSN-DVM-368 voltimetriä muuttuvalle lähdölle, koska kaikki muut lähdöt ovat kiinteitä. Irrota ensin (TÄRKEÄÄ!) Hyppyjohdin (hyppyjohdin 1) kuvan mukaisesti ja käytä sitten kolmea johtoa kuten kaaviossa. Volttimittarin sisällä on jo 5 V: n säädin. 12 V: n syöttö suoraan siihen aiheuttaa ei -toivottua lämmitystä. Joten käytämme 7809, 9 V: n säädintä AUX 12 V: n ja voltimetrin Vcc -tulon välillä. Minun oli tehtävä 7809 "kelluva" komponentti, koska se lisättiin levyn juottamisen jälkeen.

Vaihe 9: Testaus

Liitä SMPS, jonka jännite on 15-35 V ja virta vähintään 2 A, kortin tuloon DC-tynnyripistokkeen kautta. Käytin 36V 2A SMPS -laitetta, jossa oli sisäänrakennettu ylivirtasuoja (sammutus). Katso edellä kuormitustestin mittaustaulukko.

Kuorman säätö täällä ei ole kovin hyvä käyttämäni SMPS: n lähtötehon rajoituksen vuoksi. Se rajoittaa virtaa ja sammutusta suurilla virroilla. Joten en voinut suorittaa ylivirtatestejä. Jopa 14 V: n kuormituksen säätö vaikutti hyvältä. Mutta yli 15 V: n asetusjännitteen (#8, #9, #10), kun liitän kuorman, lähtöjännite pienenee noin 15 V: iin vakiovirralla 3,24 A. Kohdassa #10 ladattu jännite on puolet asetetusta jännitteestä 3,24 A virralla! Joten näytti siltä, että SMPS ei antanut tarpeeksi virtaa pitämään jännite asetetulla. Suurin teho, jonka pystyin saamaan, oli #11, 58 W. Joten niin kauan kuin pidät lähtövirran alhaisena, lähtöjännite pysyy siellä, missä sen on määrä olla. Pidä aina silmällä jäähdytyselementin jännitettä, virtaa ja lämpötilaa, koska siellä häviää merkittävä määrä tehoa.

Vaihe 10: Viimeistely

Kun olet suorittanut testit, koota kaikki ja merkitse etupaneeli haluamallasi tavalla. Maalasin etupaneelin hopeamaalilla ja käytin pysyvää merkintää esineiden merkitsemiseen (ei mukava tapa tehdä). Laitoin DIY -tarran, jonka sain ensimmäisen Arduinon kanssa, etupuolelle.

Vaihe 11: Hyödyt ja haitat

Tällä virtalähderakenteella on monia etuja ja haittoja. Niitä kannattaa aina opiskella.

Edut

• Helppo suunnitella, rakentaa ja muokata, koska se on lineaarisesti säädettävä virtalähde.
• Vähemmän ei -toivottuja väreilyjä lähdössä verrattuna tavallisiin SMPS -yksiköihin.
• Vähemmän EM/RF -häiriöitä.

Haitat

• Huono hyötysuhde - suurin osa sähköstä hukataan lämmönä jäähdytyselementteihin.
• Huono kuorman säätö verrattuna SMPS -virtalähteen suunnitteluun.
• Suuri koko verrattuna vastaaviin teho -SMPS -laitteisiin.
• Ei virran mittausta tai rajoitusta.

Vaihe 12: Vianetsintä

Digitaalinen yleismittari on paras työkalu virtalähdeongelmien vianmääritykseen. Tarkista kaikki säätimet ennen juottamista leipälevyn avulla. Jos sinulla on kaksi DMM: ää, on mahdollista mitata virta ja jännite samanaikaisesti.

1. Jos ulostulossa ei ole virtaa, tarkista jännitteet tulotapista, säätimen tulonapista ja tarkista, ovatko PCB -liitännät oikein.
2. Jos huomaat, että lähtö värähtelee, lisää elektrolyyttikondensaattori, jonka arvo on vähintään 47uF lähdön lähellä. Voit juottaa ne suoraan lähtöliittimiin.
3. Älä oikosulje ulostuloja tai liitä lähdöihin matalan impedanssin kuormitusta. Se voi aiheuttaa säätimien epäonnistumisen, koska suunnittelussa ei ole virtarajoituksia. Käytä asianmukaista arvosulaketta päätulossa.

Vaihe 13: Parannuksia

Tämä on lineaarinen perusvirtalähde. Parannettavaa on siis paljon. Rakensin tämän kiireesti, koska tarvitsin jonkin verran vaihtelevaa virtalähdettä niin kipeästi. Tämän avulla voin rakentaa paremman "tarkan digitaalisen virtalähteen" tulevaisuudessa. Tässä on joitain tapoja parantaa nykyistä muotoilua,

1. Käytimme lineaarisia säätimiä, kuten LM317, LM2940 jne. Kuten aiemmin sanoin, nämä ovat niin tehottomia, eikä niitä voida käyttää paristokäyttöisiin asetuksiin. Joten mitä voit tehdä, on löytää yksi näistä halvoista DC-DC-buck-moduuleista mistä tahansa verkkokaupasta ja korvata lineaariset säätimet niihin. Ne ovat tehokkaampia (> 90%), niillä on parempi kuorman säätö, enemmän virtaa, virranrajoitus, oikosulkusuojaus ja kaikki. LM2596 on sellainen. Buck (askel alas) -moduulien päällä on tarkkuuspotentiometri. Voit korvata sen "monikierrospotentiometrillä" ja käyttää sitä etupaneelissa tavallisten lineaaristen ruukkujen sijaan. Tämä antaa sinulle paremman hallinnan lähtöjännitteestä.
2. Olemme käyttäneet täällä vain volttimittaria, joten olemme sokeita virtalähteemme toimittamasta virrasta. Saatavilla on halpoja "jännitteen ja virran" mittausmoduuleja. Osta yksi ja lisää tuotokseen, voi olla yksi kullekin tuotokselle.
3. Suunnittelussamme ei ole nykyisiä rajoituksia. Yritä siis parantaa sitä lisäämällä nykyinen rajoitustoiminto.
4. Jos jäähdytyselementin tuuletin on meluisa, yritä lisätä lämpötilaherkkä tuulettimen ohjain, jossa voi olla nopeuden säätö.
5. Akun lataustoiminto voidaan helposti lisätä.
6. Erilliset lähdöt LED -testausta varten.

Ensimmäinen palkinto virtalähdekilpailussa