LM317 basiertes DIY variables Tischnetzteil - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Ein Netzteil ist zweifellos eine absolut notwendige Ausrüstung für jedes Elektroniklabor oder jeden, der Elektronikprojekte durchführen möchte, insbesondere ein variables Netzteil. In diesem Tutorial zeige ich Ihnen, wie ich ein LM317-Netzteil mit einem variablen 1,2-30-V-(1.2-V-zu-Eingangsspannung-2,7-V) auf Basis eines linearen positiven Reglers gebaut habe.

Dies sind die Funktionen, die mein Netzteil haben sollte.

• Ein variabler Ausgang mit Mindeststrom 2 A.
• Fester 12-V-Ausgang mit 2A.
• Fester 5 V Ausgang mit 2 A.
• Fester 3,3-V-Ausgang mit 1A.
• Zwei USB-Anschlüsse zum Aufladen von Telefonen mit 1A.

Das Netzteil verwendet keinen Transformator, sondern reduziert die konstante Eingangsspannung im Bereich von 15-35V auf viele verschiedene Spannungen am Ausgang. Sie können dieses Gerät also mit jedem SMPS mit einer Nennspannung von 15-35 V und einem Strom von 2-5 A ODER einem Transformator mit den gleichen Spezifikationen betreiben.

Schritt 1: Vorbereitungen

1. Gehen Sie zu https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download und laden Sie die Eagle-Schaltplanerfassungssoftware für Ihr Betriebssystem herunter.
2. Gehen Sie zu https://www.sketchup.com/download, laden Sie die neueste Version von SketchUp herunter und installieren Sie sie.
3. Finden Sie ein gutes SMPS mit einer Nennspannung zwischen 15-36V ODER stellen Sie eine Transformator-basierte Versorgung mit 15-36V DC Ausgangsspannung her.

Schritt 2: Schema

Der Schaltplan gibt Ihnen einen Einblick in meinen Plan. Aber es wurde nicht entwickelt, um eine PCB-Datei zu generieren, da ich normalerweise für meine einmaligen Designs ein Perfboard mache. Also habe ich mich nicht um die Komponentenpakete gekümmert. Sie müssen die richtigen Pakete auswählen, wenn Sie ein PCB-Layout erstellen möchten. Es gibt drei LM317s und drei TIP2955 PNP-Pass-Transistoren für jeden. Jeder dieser LM317s reduziert den 36-V-Eingang auf programmierte Spannungen. U2 gibt konstante 12V aus, U3 gibt eine variable Spannung aus und U1 erzeugt zusätzliche 12V für andere 5V- und 3.3-Regler, um die von ihnen abgeleitete Wärme zu reduzieren.

LM317 kann einen Ausgangsstrom von mehr als 1,5 A bereitstellen. In diesem Fall muss der LM317 jedoch bei großen Unterschieden in den Eingangs- und Ausgangsspannungen die überschüssige Leistung als Wärme abführen; so viel Hitze. Also verwenden wir pass-Elemente. Hier habe ich den Leistungstransistor TIP2955 als Durchgangselement auf der positiven Seite verwendet. Sie können TIP3055 oder 2N3055 als Durchgangselement auf der negativen Seite oder der Ausgangsseite verwenden. Aber der Grund, warum ich mich für PNP-Transistoren entschieden habe, ist, dass sie die Ausgangsspannung nicht ändern, wie dies bei NPN-Transistoren der Fall wäre (der Ausgang ist +0,7 V höher, wenn NPN verwendet wird). PNP-Transistoren werden als Durchgangselemente in Low-Dropout- und Ultra-Low-Dropout-Reglern verwendet. Sie weisen jedoch einige Probleme mit der Ausgangsstabilität auf, die durch Hinzufügen von Kondensatoren am Ausgang gemildert werden können.

Die 2W-Widerstände R5, R7 und R9 erzeugen genug Spannung, um die Durchgangstransistoren bei niedrigen Strömen vorzuspannen. Der 12-V-Hilfsausgang ist mit den Eingängen von drei LM2940 5V 1A-Reglern mit extrem niedrigem Dropout verbunden, von denen zwei für USB-Ausgänge und der andere für den Frontplattenausgang verwendet werden. Einer der 5-V-Ausgänge ist mit einem AMS1117-Regler für einen 3,3-V-Ausgang verbunden. Es ist also ein Reihennetzwerk verschiedener Regulierungsbehörden.

Der variable Ausgang wird wie im Schaltplan gezeigt von U3 übernommen. Ich habe ein 5K-Potentiometer in Reihe mit einem 1K-Poti verwendet, um die Ausgangsspannung grob und fein einzustellen. An den variablen Ausgang ist ein DSN DVM-368 (Tutorial auf meiner Website) Voltmeter-Modul angeschlossen, um die Spannung an der Frontplatte anzuzeigen. Im Abschnitt "Verkabelung" finden Sie die Änderungen am Voltmeter-Modul. Sie können beliebige andere V- oder A-Module ohne große Änderungen verwenden.

Laden Sie hier ein hochauflösendes PNG-Bild des Schaltplans herunter. Oder laden Sie verschiedene Größen von Instructables herunter:

Schritt 3: SketchUp 3D-Modell

Um die Platzierung von Steckern, Schaltern usw. zu planen und die richtigen Abmessungen zum Schneiden von MDF-Platten, Aluminiumkanälen usw. zu erhalten, habe ich zuerst ein 3D-Modell der Netzteilbox in SketchUp entworfen. Ich hatte schon alle Komponenten dabei. Das Entwerfen des Modells war also einfach. Ich habe MDF-Platten mit einer Dicke von 6 mm und Aluminiumprofilen (Winkel) der Größe 25 mm und einer Dicke von 2 mm verwendet. Sie können die SketchUp-Modelldatei über den folgenden Link herunterladen.

LM317 PSU SketchUp 2014-Datei: Laden Sie die Datei unten herunter. Es steht Ihnen frei, dieses Material herunterzuladen, zu ändern und weiterzugeben.

Schritt 4: Werkzeuge und Teile sammeln

Dies sind die benötigten Materialien, Werkzeuge und Komponenten.

Für Netzteilkasten,

• MDF-Platte mit einer Dicke von 6 mm.
• Aluminium-Winkelprofile - Größe 25 mm, Dicke 2 mm.
• 25 mm Maschinenschrauben mit Schlitz, Rundkopf und passenden Muttern und Unterlegscheiben.
• Acryl- oder ABS-Platte mit einer Dicke von 3-4 mm.
• Alter CPU-Aluminium-Kühlkörper und -Lüfter.
• PVC-Füße der Größe 1,5 cm.
• Mattschwarzer Sprühlack.
• MDF-Grundierung.

Für Leiterplatte,

• 3x TIP2955 (TO-247-Paket)
• Glimmerisolatoren für TO-247-Transistoren
• 3x LM317T
• 3x LM2940
• 1x AMS1117-3.3
• 3x 2W, 100 Ohm Widerstände
• 10x 100 nF Keramikkondensatoren
• 6x 1N4007 Dioden
• 470 uF, 40V Elektrolytkappen
• 1x 6A4 Diode
• 3x 1K Widerstände
• 3x 200 Ohm Widerstände
• 1x 3-4A Sicherungen und Sicherungshalter
• 100 uF, 10V Elektrolytkappen
• 1x 1K Linearpotentiometer
• 1x 5K Linearpotentiometer
• 2x Potentiometer-Knöpfe
• 2-polige Klemmenblöcke
• Kühlkörper für TO220-Pakete
• Kühlkörperpaste
• 4x SPST Kipp-/Hebelschalter
• Kabel und Leitungen von alten PC-Netzteilen
• Schrumpfschläuche von 3mm und 5mm
• Lochraster-Leiterplatte
• Stiftleisten
• 2x Buchse USB Typ A Rezeptoren
• 4x Lautsprecheranschlüsse ODER 8x Polklemmen
• 1x SPST/DPDT Wippschalter
• 4x 3mm/5mm LEDs
• 1x DSN-DVM-368 Voltmeter
• 5x DC-Buchsenbuchsen (verschraubbar)
• Abstandshalter aus Kunststoff

Werkzeuge

• Bügelsägeblätter
• Bohrmaschine
• Nasenspieler
• Verschiedene Dateitypen
• Verschiedene Arten von Schraubenschlüsseln
• Maßband
• Permanenter schwarzer CD-Marker
• Viele Arten von Kreuzschlitz- und Schlitzschraubendrehern (Kit kaufen)
• Einziehbares Messer und Klingen
• Drehwerkzeug (nicht notwendig, wenn Sie über Erfahrung verfügen)
• Schleifpapier der Körnung 300 und 400
• Zange (für Kupferdrähte)
• Multimeter
• Lötkolben
• Lötdraht und Flussmittel
• Abisolierzangen
• Pinzette
• Und jedes Werkzeug, das Sie finden können.
• Verschmutzungs-/Staubmaske zum Schutz vor Farbe.

Schritt 5: Aufbau der Platine

Schneiden Sie das Perfboard nach Ihren Wünschen zu. Dann platzieren und löten Sie die Komponenten gemäß dem Schaltplan. Ich habe keine PCB-Datei zum Ätzen erstellt. Sie können jedoch die folgende Eagle-Schaltplandatei verwenden, um eine eigene Leiterplatte zu erstellen. Ansonsten nutzen Sie Ihren Einfallsreichtum, um die Platzierungen und das Routing zu planen und alles schön zu löten. Waschen Sie die Leiterplatte mit IPA-Lösung (Isopropylalkohol), um alle Lötrückstände zu entfernen.

Schritt 6: Aufbau der Box

Alle Abmessungen, mit denen die MDF-Platte, Aluminiumkanäle geschnitten werden sollen, Lochabmessungen, Lochplatzierungen und alles sind im SketchUp-Modell enthalten. Öffnen Sie einfach die Datei in SketchUp. Ich habe Teile gruppiert, sodass Sie Teile des Modells einfach ausblenden und das Werkzeug Messen verwenden können, um die Abmessungen zu messen. Alle Maße sind in mm oder cm angegeben. Verwenden Sie zum Bohren von Löchern 5-mm-Bits. Überprüfen Sie immer die Ausrichtung der Löcher und anderer Teile, um sicherzustellen, dass alles leicht zusammenpasst. Verwenden Sie Sandpapier, um die Oberfläche von MDF- und Aluminiumkanälen zu glätten.

Sie erhalten die Idee zum Bau der Box, sobald Sie das 3D-Modell untersuchen. Sie können es nach Ihren Bedürfnissen ändern. Hier können Sie Ihrer Kreativität und Fantasie freien Lauf lassen.

Verwenden Sie für die Frontplatte Acryl- oder ABS-Platten und schneiden Sie mit einem Laserschneider Löcher darin, wenn Sie auf einen zugreifen können. Aber leider hatte ich keine Lasermaschine und eine zu finden wäre eine mühsame Aufgabe. Also beschloss ich, beim traditionellen Ansatz zu bleiben. Ich fand Plastikrahmen und Kisten von alten Kühlschränken aus einem Schrottladen. Eigentlich habe ich sie zu einem unangemessenen Preis gekauft. Einer dieser Rahmen war dick und flach genug, um als Frontplatte verwendet zu werden; es war weder zu dick noch zu dünn. Ich schneide es mit den richtigen Maßen und bohre und schneide Löcher hinein, um alle Schalter und Ausgangsanschlüsse aufzunehmen. Eine Bügelsäge und eine Bohrmaschine waren meine wichtigsten Werkzeuge.

Aufgrund des spezifischen Designs der Box kann es zu Problemen beim Anbringen der Frontplatte am Rest der Box kommen. Ich habe Plastikstücke aus ABS-Kunststoff hinter die Frontwinkel geklebt und direkt ohne Muttern verschraubt. Sie müssen so etwas oder etwas Besseres tun.

Für den Kühlkörper habe ich einen von einem alten CPU-Kühler verwendet. Ich bohrte Löcher hinein und befestigte alle drei Durchgangstransistoren mit Glimmerisolatoren (DAS IST WICHTIG!) Da ich erkannte, dass der Kühlkörper allein nicht ausreichen würde, fügte ich später einen Lüfter von der Außenseite des Kühlkörpers hinzu und schloss ihn an die 12V-Hilfsspannung an.

Schritt 7: Malerei der Box

Zuerst müssen Sie das MDF mit Schleifpapier der Körnung 300 oder 400 schleifen. Anschließend eine dünne, gleichmäßige Schicht Holzgrundierung oder MDF-Grundierung auftragen. Tragen Sie eine weitere Schicht auf, nachdem die erste Schicht ausreichend getrocknet ist. Wiederholen Sie dies nach Ihren Wünschen und lassen Sie es 1 oder 2 Tage trocknen. Sie müssen die Grundierungsschicht anschleifen, bevor Sie die Farbe sprühen können. Das Malen ist einfach mit komprimierten Farbdosen.

Schritt 8: Verkabelung

Befestigen Sie die gelötete Platine in der Mitte des unteren Blechs und schrauben Sie sie mit kleinen Maschinenschrauben und Abstandshaltern dazwischen. Ich habe Drähte von alten Computernetzteilen verwendet, da sie von guter Qualität sind. Sie können entweder Drähte direkt an die Platine löten oder Steckverbinder oder Stiftleisten verwenden. Ich habe das Netzteil in Eile gemacht, also habe ich keine Anschlüsse verwendet. Es wird jedoch empfohlen, wann und wo immer möglich Steckverbinder zu verwenden, um alles modular und einfach zu montieren und zu demontieren.

Bei der Verkabelung und den ersten Tests hatte ich einige ziemlich seltsame Probleme. Der erste war die Instabilität der Ausgabe. Da wir PNP-Passelemente verwenden, würde der Ausgang oszillieren, was zu einer reduzierten effektiven Gleichspannung am Messgerät führt. Ich musste hochwertige Elektrolytkondensatoren anschließen, um dieses Problem zu beheben. Das nächste Problem war der Unterschied in der Ausgangsspannung in der Platine und an den Ausgangsanschlüssen! Ich weiß immer noch nicht genau, was das Problem ist, aber ich habe dies gelöst, indem ich einige hochwertige Widerstände, 1K, 4,7K usw., direkt an die Ausgangsklemmen gelötet habe. Ich habe einen Widerstandswert von 2K (1K + 1K) verwendet, um die Aux 12V- und 12V-Hauptausgänge zu programmieren.

Für den variablen Ausgang benötigen wir nur das Voltmeter DSN-DVM-368, da alle anderen Ausgänge fest sind. Zuerst müssen Sie den Jumper (Jumper 1) wie in der Abbildung gezeigt trennen (WICHTIG!) und dann die drei Drähte wie im Schaltplan verwenden. Das Voltmeter hat bereits einen 5V-Regler im Inneren. Das direkte Einspeisen von 12 V führt zu unerwünschter Erwärmung. Wir verwenden also einen 7809, 9V-Regler zwischen dem AUX 12V und dem Vcc-Eingang des Voltmeters. Ich musste die 7809 zu einer "schwimmenden" Komponente machen, da sie hinzugefügt wurde, nachdem ich die Platine gelötet hatte.

Schritt 9: Testen

Schließen Sie ein SMPS mit einer Nennspannung zwischen 15-35 V und einem Strom von mindestens 2 A an den Eingang der Platine über eine DC-Buchse an. Ich habe 36V 2A SMPS mit integriertem Überstromschutz (Abschaltung) verwendet. Siehe oben die Messtabelle aus dem Belastungstest.

Die Lastregelung hier ist aufgrund der Ausgangsleistungsbegrenzung des von mir verwendeten SMPS nicht so gut. Es begrenzt den Strom und schaltet bei hohen Strömen ab. Daher konnte ich keine Stoßstromtests durchführen. Bis 14V schien die Lastregelung gut zu sein. Aber über der eingestellten Spannung von 15 V (#8, #9, #10) sinkt die Ausgangsspannung beim Anschließen der Last auf etwa 15 V mit einem konstanten Strom von 3,24 A. Bei #10 beträgt die geladene Spannung die Hälfte der eingestellten Spannung bei 3,24A Strom! Es sah also so aus, als ob mein SMPS nicht genug Strom lieferte, um die Spannung auf dem eingestellten Wert zu halten. Die maximale Leistung, die ich erreichen konnte, lag bei #11 von 58W. Solange Sie also den Ausgangsstrom niedrig halten, bleibt die Ausgangsspannung dort, wo sie sein soll. Behalten Sie immer die Spannung, den Strom und die Temperatur des Kühlkörpers im Auge, da dort eine erhebliche Menge an Leistung verloren geht.

Schritt 10: Fertigstellung

Wenn Sie die Tests abgeschlossen haben, bauen Sie alles zusammen und beschriften die Frontplatte nach Ihren Wünschen. Ich habe die Frontplatte mit Silberfarbe bemalt und einen Permanentmarker verwendet, um Dinge zu beschriften (keine schöne Methode). Ich habe einen DIY-Aufkleber, den ich mit meinem ersten Arduino bekommen habe, auf die Vorderseite geklebt.

Schritt 11: Vor- und Nachteile

Bei diesem Netzteildesign gibt es viele Vor- und auch Nachteile. Es lohnt sich immer, sie zu studieren.

Vorteile

• Einfach zu entwerfen, zu bauen und zu modifizieren, da es sich um ein linear geregeltes Netzteil handelt.
• Weniger unerwünschte Welligkeit am Ausgang im Vergleich zu herkömmlichen SMPS-Geräten.
• Weniger erzeugte EM/HF-Störungen.

Nachteile

• Schlechter Wirkungsgrad – die meiste Energie wird als Wärme an den Kühlkörpern verschwendet.
• Schlechte Lastregelung im Vergleich zum SMPS-Netzteildesign.
• Groß im Vergleich zu ähnlichen Leistungs-SMPSs.
• Keine Strommessung oder Begrenzung.

Schritt 12: Fehlerbehebung

Ein digitales Multimeter ist das beste Werkzeug, um Probleme mit der Stromversorgung zu beheben. Überprüfen Sie alle Regler vor dem Löten mit einem Steckbrett. Wenn Sie zwei DMMs haben, können Sie Strom und Spannung gleichzeitig messen.

1. Wenn am Ausgang kein Strom anliegt, überprüfen Sie die Spannungen am Eingangspin, an den Reglereingangspins und überprüfen Sie, ob die Leiterplattenanschlüsse korrekt sind.
2. Wenn Sie feststellen, dass der Ausgang oszilliert, fügen Sie einen Elektrolytkondensator mit einem Wert von nicht weniger als 47uF in der Nähe der Ausgangsklemmen hinzu. Sie können sie direkt an die Ausgangsklemmen anlöten.
3. Schließen Sie die Ausgänge nicht kurz und schließen Sie keine niederohmige Last an die Ausgänge an. Dies könnte dazu führen, dass die Regler ausfallen, da es in unserem Design keine Strombegrenzung gibt. Verwenden Sie am Haupteingang eine geeignete Sicherung.

Schritt 13: Verbesserungen

Dies ist ein einfaches lineares Netzteil. Du kannst also viel verbessern. Ich habe es in Eile gebaut, weil ich so dringend eine Art variable Stromversorgung brauchte. Damit kann ich in Zukunft eine bessere "Precision Digital Power Supply" bauen. Hier sind einige Möglichkeiten, wie Sie das aktuelle Design verbessern können.

1. Wir haben Linearregler wie LM317, LM2940 usw. verwendet. Wie ich bereits sagte, sind diese so ineffizient und können nicht für ein batteriebetriebenes Setup verwendet werden. Was Sie also tun können, ist, eines dieser billigen DC-DC-Buck-Module in jedem Online-Shop zu finden und die Linearregler durch sie zu ersetzen. Sie sind effizienter (> 90%), haben eine bessere Lastregelung, mehr Strombelastbarkeit, Strombegrenzung, Kurzschlussschutz und alles. LM2596 ist so einer. Die Buck-(Step-Down)-Module haben oben ein Präzisionspotentiometer. Sie können es durch ein "Multiturn-Potentiometer" ersetzen und an der Frontplatte anstelle von normalen Linearpotentiometern verwenden. Das gibt Ihnen mehr Kontrolle über die Ausgangsspannung.
2. Wir haben hier nur ein Voltmeter verwendet, daher sind wir bezüglich des Stroms, den unser Netzteil liefert, blind. Es gibt günstige "Spannungs- und Strom"-Messmodule. Kaufen Sie eine und fügen Sie sie der Ausgabe hinzu, möglicherweise eine für jede Ausgabe.
3. Es gibt keine Strombegrenzungsfunktion in unserem Design. Versuchen Sie also, es zu verbessern, indem Sie eine Strombegrenzungsfunktion hinzufügen.
4. Wenn Ihr Kühlkörperlüfter laut ist, versuchen Sie, eine temperaturempfindliche Lüftersteuerung mit Geschwindigkeitssteuerung hinzuzufügen.
5. Eine Batterieladefunktion kann einfach hinzugefügt werden.
6. Separate Ausgänge für LED-Tests.

Erster Preis beim Stromversorgungswettbewerb