Mục lục:
2025 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2025-01-13 06:58
Nguồn điện chắc chắn là một thiết bị cực kỳ cần thiết cho bất kỳ phòng thí nghiệm điện tử nào hoặc bất kỳ ai muốn thực hiện các dự án điện tử, đặc biệt là nguồn điện biến đổi. Trong hướng dẫn này, tôi sẽ chỉ cho bạn cách tôi xây dựng một bộ điều chỉnh dương tuyến tính LM317 dựa trên biến 1.2-30V (1.2V đến điện áp đầu vào-thực tế là 2.7V).
Đây là những tính năng tôi muốn PSU của mình có.
- Một đầu ra biến đổi với dòng điện tối thiểu 2 A.
- Cố định đầu ra 12 V với 2A.
- Cố định đầu ra 5 V với 2 A.
- Cố định đầu ra 3,3 V với 1A.
- Hai cổng USB để sạc điện thoại ở 1A.
Nguồn điện không sử dụng bất kỳ máy biến áp nào thay vào đó nó làm giảm điện áp đầu vào không đổi trong khoảng 15-35V thành nhiều điện áp khác nhau ở đầu ra. Vì vậy, bạn có thể cấp nguồn cho thiết bị này bằng bất kỳ SMPS nào có điện áp định mức 15-35V và dòng điện 2-5A HOẶC nguồn cấp biến áp có cùng thông số kỹ thuật.
Bước 1: Chuẩn bị sẵn sàng
- Truy cập https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download và tải xuống phần mềm chụp giản đồ Eagle cho hệ điều hành của bạn.
- Truy cập https://www.sketchup.com/download và tải xuống phiên bản SketchUp mới nhất và cài đặt nó.
- Tìm một SMPS tốt với định mức điện áp từ 15-36V HOẶC tạo nguồn cung cấp dựa trên máy biến áp có điện áp đầu ra DC 15-36V.
Bước 2: Sơ đồ
Sơ đồ sẽ cung cấp cho bạn một cái nhìn sâu sắc về kế hoạch của tôi. Nhưng nó không được thiết kế để tạo tệp PCB như tôi thường làm perfboard cho các thiết kế riêng của mình. Vì vậy, tôi đã không quan tâm đến các gói thành phần. Bạn phải chọn các gói thích hợp nếu bạn muốn tạo một bố cục PCB. Có ba LM317 và ba bóng bán dẫn thông qua TIP2955 PNP cho mỗi bóng. Mỗi LM317s đó sẽ giảm đầu vào 36V thành điện áp được lập trình. U2 sẽ tạo ra một 12V không đổi, U3 sẽ tạo ra một điện áp thay đổi và U1 sẽ tạo ra một 12V phụ trợ cho các bộ điều chỉnh 5V và 3.3 khác để giảm nhiệt lượng do chúng tản ra.
LM317 có thể cung cấp dòng điện đầu ra vượt quá 1,5A. Nhưng trong trường hợp này, với sự khác biệt lớn về điện áp đầu vào và đầu ra, LM317 sẽ phải tiêu tán điện năng dư thừa dưới dạng nhiệt; rất nhiều nhiệt. Vì vậy, chúng tôi sử dụng các phần tử vượt qua. Ở đây tôi đã sử dụng bóng bán dẫn công suất TIP2955 làm phần tử vượt qua ở phía tích cực. Bạn có thể sử dụng TIP3055 hoặc 2N3055 làm phần tử vượt qua ở phía tiêu cực hoặc phía đầu ra. Nhưng lý do tôi chọn PNP là vì chúng không làm thay đổi điện áp đầu ra như các bóng bán dẫn NPN sẽ làm (đầu ra sẽ cao hơn + 0,7V khi NPN được sử dụng). Bóng bán dẫn PNP được sử dụng làm phần tử vượt qua trong bộ điều chỉnh lượng bỏ học thấp và số lượng bỏ học cực thấp. Nhưng chúng có một số vấn đề về ổn định đầu ra có thể được giảm thiểu bằng cách thêm tụ điện ở đầu ra.
Các điện trở 2W R5, R7 và R9 sẽ tạo ra đủ điện áp để phân cực các bóng bán dẫn đi qua ở dòng điện thấp. Đầu ra phụ trợ 12V được kết nối với đầu vào của ba bộ điều chỉnh 5V 1A loại bỏ cực thấp LM2940, trong đó hai bộ được sử dụng cho đầu ra USB và đầu còn lại cho đầu ra bảng điều khiển phía trước. Một trong những đầu ra 5V được kết nối với bộ điều chỉnh AMS1117 cho đầu ra 3.3V. Vì vậy, đó là một mạng lưới hàng loạt các cơ quan quản lý khác nhau.
Đầu ra biến được lấy từ U3 như thể hiện trong giản đồ. Tôi đã sử dụng chiết áp 5K mắc nối tiếp với nồi 1K để điều chỉnh điện áp đầu ra thô và tốt. Mô-đun vôn kế DSN DVM-368 (hướng dẫn trên trang web của tôi) được kết nối với đầu ra biến đổi để hiển thị điện áp ở bảng điều khiển phía trước. Xem phần "Nối dây" để xem các sửa đổi được thực hiện đối với mô-đun vôn kế. Bạn có thể sử dụng bất kỳ mô-đun V hoặc A nào khác mà không cần sửa đổi nhiều.
Tải xuống hình ảnh-p.webp
Bước 3: Mô hình 3D SketchUp
Để lập kế hoạch vị trí của các đầu nối, công tắc, v.v. và để có được kích thước chính xác để cắt ván MDF, kênh nhôm, v.v., trước tiên tôi thiết kế mô hình 3D của hộp PSU trong SketchUp. Tôi đã có tất cả các thành phần với tôi. Vì vậy, thiết kế mô hình rất dễ dàng. Tôi sử dụng ván MDF dày 6 mm và nhôm định hình (góc) kích thước 25 mm và dày 2 mm. Bạn có thể tải xuống tệp mô hình SketchUp bằng liên kết bên dưới.
Tệp LM317 PSU SketchUp 2014: Tải xuống tệp bên dưới. Bạn có thể tự do tải xuống, sửa đổi và phân phối lại tài liệu này.
Bước 4: Thu thập các công cụ và bộ phận
Đây là những vật liệu, công cụ và thành phần cần thiết.
Đối với hộp PSU,
- Ván MDF dày 6 mm.
- Máy ép góc nhôm - kích thước 25 mm, độ dày 2 mm.
- Vít máy 25 mm có rãnh, đầu tròn, đai ốc và vòng đệm tương thích.
- Tấm acrylic hoặc ABS dày 3-4 mm.
- Tản nhiệt và quạt bằng nhôm cũ của CPU.
- Chân PVC kích thước 1,5 cm.
- Phun sơn đen mờ.
- MDF sơn lót.
Đối với bảng mạch,
- 3x TIP2955 (gói TO-247)
- Chất cách điện mica cho bóng bán dẫn TO-247
- 3x LM317T
- 3x LM2940
- 1x AMS1117-3.3
- Điện trở 3x 2W, 100 Ohm
- Tụ gốm 10x 100 nF
- 6x 1N4007 điốt
- 470 uF, nắp điện phân 40V
- 1x 6A4 diode
- Điện trở 3x 1K
- Điện trở 3x 200 Ohm
- 1x 3-4A cầu chì và giá đỡ cầu chì
- Nắp điện phân 100 uF, 10V
- Chiết áp tuyến tính 1x 1K
- Chiết áp tuyến tính 1x 5K
- 2x nút chiết áp
- 2 khối thiết bị đầu cuối chân
- Bộ tản nhiệt cho gói TO220
- Keo tản nhiệt
- 4x SPST Chuyển đổi / Công tắc đòn bẩy
- Cáp và dây dẫn từ bộ nguồn PC cũ
- Ống co nhiệt 3mm và 5mm
- PCB ma trận đục lỗ
- Đầu ghim nam
- 2x Bộ tiếp nhận USB loại A dành cho nữ
- 4x đầu nối loa HOẶC 8x trụ ràng buộc
- 1x công tắc rocker SPST / DPDT
- Đèn LED 4x 3mm / 5mm
- 1x vôn kế DSN-DVM-368
- Đầu nối thùng DC nữ 5x (có thể vặn được)
- Standoffs nhựa
Công cụ
- Lưỡi cưa sắt
- Máykhoan
- Người chơi mũi
- Các loại tệp khác nhau
- Các loại cờ lê khác nhau
- Thước dây cuốn
- Điểm đánh dấu CD vĩnh viễn màu đen
- Nhiều loại máy vặn vít có rãnh và của Philips (mua một bộ)
- Dao và lưỡi có thể thu vào
- Công cụ quay (không cần thiết nếu bạn có kỹ năng)
- Giấy cát cỡ 300 và 400
- Kềm (đối với dây đồng)
- Đồng hồ vạn năng
- Hàn sắt
- Dây hàn và từ thông
- Dụng cụ tuốt dây
- Cái nhíp
- Và bất kỳ công cụ nào bạn có thể tìm thấy.
- Ô nhiễm / Mặt nạ chống bụi để bảo vệ khỏi sơn.
Bước 5: Xây dựng bảng mạch
Cắt tấm đục lỗ theo yêu cầu của bạn. Sau đó, đặt và hàn các thành phần theo sơ đồ. Tôi không tạo tệp PCB để khắc. Nhưng bạn có thể sử dụng tệp giản đồ Eagle bên dưới để tự tạo PCB. Nếu không, hãy sử dụng sự khéo léo của bạn để lập kế hoạch các vị trí và định tuyến và hàn mọi thứ một cách độc đáo. Rửa PCB bằng dung dịch IPA (Isopropyl Alcohol) để làm sạch cặn hàn.
Bước 6: Xây dựng hộp
Tất cả các kích thước mà ván MDF, các kênh nhôm sẽ được cắt, kích thước lỗ, vị trí lỗ và tất cả đều nằm trong mô hình SketchUp. Chỉ cần mở tệp trong SketchUp. Tôi đã nhóm các bộ phận lại với nhau, vì vậy bạn có thể dễ dàng ẩn các bộ phận của mô hình và sử dụng công cụ Đo để đo kích thước. Tất cả các kích thước đều tính bằng mm hoặc cm. Sử dụng mũi khoan 5mm để khoan lỗ. Luôn kiểm tra sự liên kết của các lỗ và các bộ phận khác để đảm bảo mọi thứ sẽ dễ dàng khớp với nhau. Sử dụng giấy nhám để làm phẳng bề mặt của các kênh MDF và nhôm.
Bạn sẽ có ý tưởng về cách xây dựng hộp khi bạn kiểm tra mô hình 3D. Bạn có thể sửa đổi nó theo nhu cầu của bạn. Đây là nơi bạn có thể phát huy tối đa khả năng sáng tạo và trí tưởng tượng của mình.
Đối với bảng điều khiển phía trước, sử dụng tấm acrylic hoặc ABS và cắt các lỗ trên đó bằng máy cắt laser nếu bạn có thể tiếp cận một tấm. Nhưng tiếc là tôi không có máy laze và việc tìm kiếm một chiếc máy sẽ là một công việc tẻ nhạt. Vì vậy, tôi quyết định gắn bó với cách tiếp cận truyền thống. Tôi tìm thấy khung và hộp nhựa từ tủ lạnh cũ từ một cửa hàng phế liệu. Thực sự tôi đã mua chúng với một mức giá không hợp lý. Một trong những khung đó đủ dày và phẳng để được sử dụng làm bảng điều khiển phía trước; nó không quá dày cũng không quá mỏng. Tôi cắt nó với các phép đo chính xác và khoan và cắt các lỗ trên đó, để chứa tất cả các công tắc và đầu nối đầu ra. Một chiếc cưa sắt và một chiếc máy khoan là công cụ chính của tôi.
Do thiết kế cụ thể của hộp, bạn có thể gặp một số vấn đề khi gắn mặt trước vào phần còn lại của hộp. Tôi dán các miếng nhựa bằng nhựa ABS vào phía sau các góc quay mặt trước và vặn trực tiếp vào chúng mà không cần đai ốc. Bạn sẽ cần phải làm điều gì đó như thế này hoặc điều gì đó tốt hơn.
Đối với bộ tản nhiệt, tôi đã sử dụng một cái từ bộ làm mát CPU cũ. Tôi đã khoan các lỗ trên đó và gắn tất cả ba bóng bán dẫn đi qua với chất cách điện mica (ĐIỀU NÀY LÀ QUAN TRỌNG!) Giữa chúng để cách ly điện. Nhận thấy chỉ riêng bộ tản nhiệt sẽ không làm được việc, sau đó tôi đã thêm một quạt làm mát từ bên ngoài bộ tản nhiệt và kết nối nó với nguồn 12V phụ.
Bước 7: Sơn hộp
Đầu tiên, bạn phải chà nhám MDF bằng giấy nhám cỡ 300 hoặc 400 grit. Sau đó phủ một lớp sơn lót gỗ hoặc sơn lót MDF mỏng và đều. Phủ lớp khác sau khi lớp đầu tiên đủ khô. Lặp lại điều này theo yêu cầu của bạn và để khô trong 1 hoặc 2 ngày. Bạn phải chà nhám lớp sơn lót rồi mới tiến hành phun sơn. Vẽ tranh dễ dàng bằng cách sử dụng thùng sơn nén.
Bước 8: Đấu dây
Cố định bảng bạn đã hàn vào giữa tấm dưới cùng và vặn nó bằng vít máy nhỏ và giá đỡ giữa chúng. Tôi đã sử dụng dây từ bộ nguồn máy tính cũ vì chúng có chất lượng tốt. Bạn có thể hàn dây trực tiếp vào bo mạch hoặc sử dụng đầu nối hoặc đầu ghim. Tôi đã tạo PSU vội vàng nên không sử dụng bất kỳ đầu nối nào. Nhưng bạn nên sử dụng các đầu nối bất cứ khi nào và bất cứ nơi nào có thể, để làm cho mọi thứ trở nên mô-đun và dễ lắp ráp và tháo rời.
Tôi đã gặp một số vấn đề khá lạ trong khi đấu dây và thử nghiệm ban đầu. Đầu tiên là sự không ổn định của đầu ra. Vì chúng tôi đang sử dụng các phần tử vượt qua PNP, đầu ra sẽ dao động làm giảm điện áp DC hiệu dụng trên đồng hồ. Tôi đã phải kết nối các tụ điện có giá trị cao để khắc phục sự cố này. Vấn đề tiếp theo là sự khác biệt về điện áp đầu ra trong bo mạch và ở các đầu nối đầu ra! Tôi vẫn không biết chính xác vấn đề là gì, nhưng tôi đã giải quyết vấn đề này bằng cách hàn trực tiếp một số điện trở giá trị cao, 1K, 4,7K, v.v. tại các thiết bị đầu cuối đầu ra. Tôi đã sử dụng giá trị điện trở 2K (1K + 1K) để lập trình đầu ra Aux 12V và 12V chính.
Chúng tôi chỉ cần vôn kế DSN-DVM-368 cho đầu ra thay đổi vì tất cả các đầu ra khác đều cố định. Đầu tiên bạn phải ngắt kết nối (QUAN TRỌNG!) Jumper (Jumper 1) như trong hình sau đó sử dụng ba dây như trong sơ đồ. Vôn kế đã có sẵn bộ điều chỉnh 5V bên trong. Việc cấp nguồn trực tiếp 12V vào nó sẽ gây ra hiện tượng nóng không mong muốn. Vì vậy, chúng tôi sử dụng một bộ điều chỉnh 7809, 9V giữa AUX 12V và đầu vào Vcc của vôn kế. Tôi đã phải làm cho 7809 trở thành một thành phần "nổi" vì nó được thêm vào sau khi tôi hàn bo mạch.
Bước 9: Kiểm tra
Kết nối SMPS với định mức điện áp từ 15-35V và dòng điện tối thiểu 2A, với đầu vào của bo mạch thông qua giắc cắm thùng DC. Tôi đã sử dụng 36V 2A SMPS với tính năng bảo vệ quá dòng (tắt máy) được tích hợp sẵn. Xem phía trên bảng các phép đo từ thử nghiệm tải.
Điều chỉnh tải ở đây không tốt do giới hạn công suất đầu ra của SMPS tôi đang sử dụng. Nó sẽ giới hạn dòng điện và tắt ở dòng cao. Vì vậy, tôi không thể tiến hành kiểm tra dòng điện đột ngột. Lên đến 14V, điều chỉnh tải có vẻ tốt. Nhưng trên điện áp đặt 15V (# 8, # 9, # 10), khi tôi kết nối tải, điện áp đầu ra sẽ giảm xuống còn khoảng 15V với dòng điện không đổi là 3,24A. Ở vị trí # 10, điện áp tải bằng một nửa điện áp đặt ở dòng điện 3,24A! Vì vậy, có vẻ như SMPS của tôi đã không cung cấp đủ dòng điện để giữ điện áp ở mức được thiết lập. Công suất tối đa mà tôi có thể nhận được là # 11, là 58W. Vì vậy, miễn là bạn giữ dòng điện đầu ra ở mức thấp, điện áp đầu ra sẽ ở lại nơi nó được cho là. Luôn theo dõi điện áp, dòng điện và nhiệt độ của bộ tản nhiệt vì một lượng điện năng đáng kể sẽ bị tiêu tán ở đó.
Bước 10: Hoàn thiện
Khi bạn hoàn thành các bài kiểm tra, hãy lắp ráp mọi thứ và dán nhãn cho bảng điều khiển phía trước theo cách bạn muốn. Tôi sơn bảng điều khiển phía trước bằng sơn màu bạc và sử dụng bút đánh dấu vĩnh viễn để đánh dấu mọi thứ (không phải là một cách hay). Tôi đặt một nhãn dán DIY tôi có với Arduino đầu tiên của mình, ở mặt trước.
Bước 11: Ưu và nhược điểm
Có rất nhiều ưu điểm và cũng như nhược điểm với thiết kế bộ nguồn này. Nó luôn luôn đáng để nghiên cứu chúng.
Thuận lợi
- Dễ dàng thiết kế, xây dựng và sửa đổi vì nó là một nguồn cung cấp điện được điều chỉnh tuyến tính.
- Ít gợn sóng không mong muốn ở đầu ra so với các đơn vị SMPS thông thường.
- Ít gây nhiễu EM / RF hơn.
Nhược điểm
- Hiệu quả kém - hầu hết điện năng bị lãng phí dưới dạng nhiệt tại các bộ tản nhiệt.
- Điều chỉnh tải kém so với thiết kế cấp nguồn SMPS.
- Kích thước lớn so với các SMPS công suất tương tự.
- Không có phép đo hoặc giới hạn hiện tại.
Bước 12: Khắc phục sự cố
Đồng hồ vạn năng kỹ thuật số là công cụ tốt nhất để khắc phục sự cố cung cấp điện. Kiểm tra tất cả các bộ điều chỉnh trước khi hàn bằng breadboard. Nếu bạn có hai DMM, thì bạn có thể đo dòng điện và điện áp đồng thời.
- Nếu không có nguồn ở đầu ra, hãy kiểm tra điện áp từ chân đầu vào, tại các chân đầu vào của bộ điều chỉnh và kiểm tra lại xem các kết nối PCB có chính xác hay không.
- Nếu bạn thấy đầu ra đang dao động, hãy thêm một tụ điện có giá trị không nhỏ hơn 47uF gần các cực đầu ra. Bạn có thể hàn chúng trực tiếp với các thiết bị đầu cuối đầu ra.
- Không đoản mạch các đầu ra hoặc kết nối tải trở kháng thấp ở các đầu ra. Nó có thể khiến các bộ điều chỉnh bị lỗi vì không có giới hạn hiện tại trong thiết kế của chúng tôi. Sử dụng cầu chì giá trị thích hợp ở đầu vào chính.
Bước 13: Cải tiến
Đây là một nguồn cung cấp điện tuyến tính cơ bản. Vì vậy, có rất nhiều thứ bạn có thể cải thiện. Tôi đã xây dựng cái này một cách vội vàng vì tôi cần một số loại nguồn cung cấp năng lượng có thể thay đổi được. Với sự giúp đỡ của điều này, tôi có thể xây dựng một "Bộ nguồn kỹ thuật số chính xác" tốt hơn trong tương lai. Bây giờ đây là một số cách bạn có thể cải thiện thiết kế hiện tại,
- Chúng tôi đã sử dụng các bộ điều chỉnh tuyến tính như LM317, LM2940, v.v. Như tôi đã nói trước đây, chúng rất kém hiệu quả và không thể được sử dụng cho thiết lập chạy bằng pin. Vì vậy, những gì bạn có thể làm là, tìm một trong những mô-đun DC-DC giá rẻ đó từ bất kỳ cửa hàng trực tuyến nào và thay thế các bộ điều chỉnh tuyến tính bằng chúng. Chúng hiệu quả hơn (> 90%), điều chỉnh tải tốt hơn, khả năng hiện tại nhiều hơn, hạn chế dòng điện, bảo vệ ngắn mạch và tất cả. LM2596 là một trong những loại đó. Các mô-đun buck (bước xuống) sẽ có chiết áp chính xác ở trên. Bạn có thể thay thế nó bằng một "chiết áp nhiều lần rẽ" và sử dụng nó ở bảng điều khiển phía trước thay cho các loại nồi tuyến tính bình thường. Điều đó sẽ giúp bạn kiểm soát nhiều hơn điện áp đầu ra.
- Chúng tôi chỉ sử dụng một vôn kế ở đây, vì vậy chúng tôi mù tịt về dòng điện mà PSU của chúng tôi đang cung cấp. Có sẵn các mô-đun đo "Điện áp và Dòng điện" giá rẻ. Mua một cái và thêm vào đầu ra, có thể là một cái cho mỗi đầu ra.
- Không có tính năng giới hạn hiện tại trong thiết kế của chúng tôi. Vì vậy, hãy thử cải thiện nó bằng cách thêm một chức năng giới hạn hiện tại.
- Nếu quạt tản nhiệt của bạn ồn ào, hãy thử thêm bộ điều khiển quạt nhạy cảm với nhiệt độ có thể có điều khiển tốc độ.
- Có thể dễ dàng thêm chức năng sạc pin.
- Các đầu ra riêng biệt để kiểm tra đèn LED.
Giải nhất cuộc thi Cung cấp điện