Nastavitelný obvod napájení 0-40V - stavební návod

Toto víceúčelové univerzální napájení generuje až 2,5 ampérů od 0 do 20 voltů nebo až 1,25 ampérů od 0 do 40 voltů. Aktuální omezení je proměnné v celém rozsahu pro obě možnosti výstupu.

Autor: Trupti Patil

Hlavní specifikace napájecího zdroje:

IDEÁLNÍ NAPÁJENÍ musí poskytovat napětí, které je proměnlivé v širokém rozsahu a které zůstává v nastaveném napětí bez ohledu na síťové napětí nebo rozdíly v zátěži.

Napájecí zdroj musí být také chráněn před zkratem na celém svém výstupu a musí být schopen omezit zatěžovací proud, aby bylo zajištěno, že zařízení nebude poškozeno selhávajícími okolnostmi.

Tento konkrétní projekt vysvětluje napájecí zdroj navržený tak, aby poskytoval 2,5 ampér až 18 V (až 20 V při nižších proudech). Několik základních úprav současně způsobí, že nabídka napájení bude až 40 voltů při 1,25 ampérech.

Napájecí napětí je nastavitelné od nuly do „nejvyššího možného“ a omezení proudu lze také upravit v celém stanoveném rozsahu. Provozní režim napájecího zdroje je indikován pomocí dvou LED.

Ten u knoflíku pro regulaci napětí ukazuje, zda je jednotka v normálním nastavení regulace napětí a ten u knoflíku pro omezení proudu ukazuje, zda je jednotka v režimu omezení proudu. Velký měřič dále zobrazuje proudový nebo napěťový výstup zvolený přepínačem.

DESIGNOVÉ VLASTNOSTI

Zatímco v našich předběžných fázích návrhu jsme zkoumali různé typy regulátorů a jejich pozitivní aspekty a nevýhody, abychom mohli vybrat ten, který poskytuje nejlepší nákladově efektivní funkčnost. Specifické strategie a jejich vlastnosti lze shrnout následovně.

Regulátor bočníku:

Toto uspořádání by fungovalo primárně pro zdroje s nízkou spotřebou kolem 10 až 15 wattů. Nabízí vynikající regulaci a je vnitřně odolný proti zkratu, nicméně rozptyluje celý objem energie, kterou je schopen zvládnout za podmínek bez zátěže.

Regulátor série.

Tento regulátor vyhovuje zdrojům se středním výkonem přibližně 50 wattů.

Může a je určen pro vyšší napájecí zdroje, ačkoli odvod tepla může být problémem zejména při velmi vysokém proudu s nízkým výstupním napětím.

Regulace skvělá, obecně je zde malý výstupní šum a náklady jsou poměrně minimální.

Regulátor SRC:

Tento regulátor, který je ideální pro účely středního a vysokého výkonu, poskytuje nízký ztrátový výkon, i když zvlnění výstupu a doba odezvy nejsou zdaleka tak dobré jako u sériového regulátoru.

SCR předregulátor a sériový regulátor.

Nejlepší vlastnosti regulátorů SCR a řady jsou spojeny s tímto druhem napájecího obvodu používaného pro aplikace se středním a vysokým výkonem. K zajištění zhruba regulovaného napájení přibližně o pět voltů větších, než je doporučeno, je použit předregulátor SCR, doplněný vhodným sériovým regulátorem.

Tím se sníží ztráta výkonu v sériovém regulátoru. Konstrukce je však mnohem nákladnější.

Spínací regulátor.

Tato technika, která se také používá pro aplikace se středním až vysokým výkonem, poskytuje cenově dostupnou regulaci a nízký ztrátový výkon v regulátoru, přesto je nákladná konstrukce a má vysokofrekvenční zvlnění na výstupu.

Spínaný napájecí zdroj.

Nejúspěšnější technika ze všech, tento regulátor usměrňuje síť tak, aby provozovala střídač s frekvencí 20 kHz nebo více. Ke snížení nebo zvýšení napětí se běžně používá levný feritový transformátor, jehož výstup je usměrněn a filtrován, aby se získal preferovaný stejnosměrný výstup.

Regulace vedení je velmi dobrá, ale určitě má nevýhodu, že není možné jej pohodlně použít jako zdroj proměnných, protože je jen adaptabilní v relativně menším rozsahu.

NÁŠ VLASTNÍ DESIGN

Naším původním principem návrhu bylo napájení kolem 20 voltů při výkonu 5 až 10 ampérů.
S ohledem na to, že s ohledem na snadno dostupné varianty regulátorů a na náklady, bylo rozhodnuto omezit proud na přibližně 2,5 A.
Tento přístup nám pomohl zaměstnat regulátor řady, nákladově nejefektivnější model. Byla nutná dobrá regulace spolu s nastavitelnou funkcí omezení proudu a navíc bylo vybráno, že napájecí zdroj může být funkční až do nulových voltů.

Pro získání konečné kvalifikace je nezbytná záporná napájecí lišta nebo komparátor, který může běžet pomocí svých vstupů při nulovém napětí. Na rozdíl od použití záporné napájecí kolejnice jsme se rozhodli pracovat s operačním zesilovačem CA3l30 IC jako komparátorem.

CA3l 30 potřebuje jediné napájení (maximálně 15 voltů) a na začátku jsme pro získání napájení 12 voltů využili odpor a l 2 voltový zener. Referenční napětí bylo poté vytvořeno z tohoto napájení zeneru jedním dalším rezistorem a 5 voltovým zenerem.

Věřilo se, že by to představovalo adekvátní regulaci referenčního napětí, ale prakticky byl identifikován výstup z usměrňovače, který se změnil od 21 do 29 voltů plus některé zvlnění a přepínání napětí, které proběhlo přes 12 voltový zener, v důsledku toho skončilo zrcadlení do 5 voltového zenerova odkazu.

Z tohoto důvodu byl 12voltový Zener nahrazen regulátorem LC, který problém napravil.

U všech sériových regulátorů by sériový výstupní tranzistor z charakteristik uspořádání měl rozptýlit spoustu energie, zejména při nízkém výstupním napětí a vysokém proudu. Pro tento faktor je úctyhodný chladič důležitou součástí struktury.

Průmyslové chladiče jsou neuvěřitelně drahé a jejich připojení je často náročné. Ve výsledku jsme vytvořili náš vlastní chladič, který byl nejen cenově dostupnější, ale fungoval mnohem lépe než komerční variace, o které jsme přemýšleli - snadnější připojení.

Při plném zatížení však chladič i nadále pracuje teplý, stejně jako transformátor. a za podmínek vysokého proudu s nízkým napětím by tranzistor mohl být dokonce příliš syčivý na dotek.
To je docela normální, protože tranzistor v těchto situacích zůstává funkční ve zvoleném teplotním rozsahu.

Spolu s extrémně regulovanou dodávkou může být stabilita problémem. Pro tento motiv je režim regulace napětí v provozu zahrnut kondenzátory C5 a C7, aby se minimalizoval zisk smyčky při vysokých frekvencích, a proto se zabránilo oscilaci napájení.

Hodnota C5 byla zvolena pro ideální šetření mezi stabilitou a reakční dobou. Když je hodnota C5 příliš nízká, rychlost reakce se zvýší.

Existuje však větší možnost nedostatečné stability. Pokud se nadměrně zvyšuje reakční doba. V režimu proudového omezení doplňuje C4 identickou funkcionalitu a implementují přesně stejná stanoviska jako u scénáře napětí.

Jelikož napájecí zdroj má schopnost relativně vysokého proudového výstupu, může bezpochyby dojít k určitému poklesu napětí ve vedení k výstupním svorkám, což je kompenzováno snímáním napětí na výstupních svorkách prostřednictvím nezávislé sady vodičů.

Přestože napájení bylo v zásadě vyrobeno pro 20 voltů při 2,5 A, nakonec bylo doporučeno, aby přesně stejný zdroj mohl být zvyklý dodávat 40 V při 1,25 A, což by mohlo být pro mnoho koncových uživatelů vhodnější.

Toho lze dosáhnout úpravou nastavení usměrňovače a změnou několika komponent. Byla vytvořena nějaká myšlenka na vytvoření přepínatelné nabídky, avšak další složitosti a cena byly takovým způsobem, že to nebylo považováno za výhodné.

Proto musíte v zásadě zvolit konfiguraci, která odpovídá vaší poptávce, a podle potřeby sestavit nabídku.

Maximální dostupné regulované napětí je omezeno pravděpodobně příliš nízkým vstupním napětím regulátoru (s více než 18 V a 2,5 A) nebo snad poměrem R14 / R15 a hodnotou referenčního napětí. (Výstup = R14 + R15 / R15) V ref

Kvůli toleranci ZD1 je celých 20 voltů (nebo 40 voltů) pravděpodobně nedostupných. Pokud je identifikována jako situace, musí být R14 zvýšeno na následující zvýhodněnou hodnotu.

Jednootáčkové potenciometry byly uvedeny pro řízení napětí a proudu, protože jsou cenově dostupné. Je-li však nutná přesná nastavitelnost řízení napětí nebo proudu, je třeba jako náhradu použít desetotáčkové potenciometry.

JAK TO FUNGUJE

Síť 240 voltů je transformátorem snížena na 40 Vac a na základě vyvinutého napájení je usměrněna na 25 nebo 5 Vdc.

Toto napětí je ve skutečnosti mírné, protože skutečné napětí se bude lišit mezi 29 V (58 V) při volnoběhu a 21 V (42 V) při plném zatížení.

V obou případech se používají identické filtrační kondenzátory. Ty jsou připojeny paralelně pro vaši 25voltovou variantu (5000uF) a v sérii určené pro 50voltový model (1250uF). U modelu s napětím 50 V bude centrální odbočka transformátoru spojena se středovou odbočkou kondenzátorů, což zaručuje přesné napětí. sdílení mezi kondenzátory. Toto zařízení navíc nabízí 25 voltové napájení regulátoru lC.

Regulátor napětí je v podstatě sériového typu, ve kterém je impedance sériového tranzistoru řízena takovým způsobem, že toto napětí v celém zatížení je udržováno konstantní na předem stanovené hodnotě.

Tranzistor Q4 rozptyluje velké množství energie, zejména při nízkém výstupním napětí a vysokém proudu, a je proto instalován na chladiči v zadní části produktu.

Transistor Q3 přináší proudový zisk do Q4, spolupráce funguje jako vysoce výkonný tranzistor PNP s vysokým ziskem. 25 voltů je sníženo na 12 voltů prostřednictvím integrovaného obvodu ICI. Toto napětí se běžně používá jako napájecí napětí pro CA3130 lC a je navíc sníženo na 5,1 voltů zenerovou diodou ZDI, aby bylo použito jako referenční napětí.

Regulace napětí je prováděna pomocí lC3, která zkoumá napětí určené RV3 (O až 5,1 'voltů) s výstupním napětím děleným R14 a R15. Dělič poskytuje rozdělení na 4,2 (O až 21 voltů) nebo osm (0 až 40 voltů).

Na druhé straně v horním konci je získatelné napětí omezeno do té míry, že se regulátoru podaří ztratit kontrolu nad vysokým proudem, protože napětí skrz filtrační kondenzátor dosáhne výstupního napětí a lze také najít zvlnění 100 Hz. Výstup IC3 reguluje tranzistor Q2, který následně řídí výstupní tranzistor tak, že výstupní napětí je i nadále konzistentní bez ohledu na rozdíly vedení a zátěže. 5,1 voltová reference je nabízena emitoru Q2 až Q1.

Tento tranzistor je ve skutečnosti vyrovnávací fází, která působí proti zatížení 5,1 voltového vedení. Řízení proudu provádí IC2, který analyzuje napětí určené pomocí -RV1 (O až 0,55 voltů) pomocí napětí vytvořeného kolem R7 zátěžovým proudem.

Pokud je na RV1 definováno 0,25 voltu a proud odebíraný ze zdroje je malý, bude výstup IC2 blízký 12 voltům. To vede k rozsvícení LED 2, protože emitor Q1 je na 5,7 voltu.

Tato LED následně znamená, že toto napájení funguje v režimu regulátoru napětí. Pokud je však poháněný proud zvýšen tak, že napětí kolem R7 je něco málo přes 0,25 voltu (na našem obrázku), může výstup IC2 poklesnout. Jakmile výstup IC2 poklesne pod přibližně 4 volty, začne se Q2 vypínat pomocí LED 3 a D5. Výsledkem by bylo minimalizovat výstupní napětí, aby napětí v celém R7 nebylo schopno více přepětí.

Zatímco k tomu dojde, napěťový komparátor IC3 se pokusí čelit problému a jeho výstup stoupá na 12 voltů. IC2 poté spotřebovává více proudu, aby se doplnil, a tento proud přivádí LED 3 k osvětlení, což znamená, že zdroj pracuje v režimu omezení proudu.

Aby byla zajištěna přesná regulace, jsou svorky pro snímání napětí dodávány do výstupních bodů nezávisle na těch, které přenášejí zátěžový proud. Měřič zahrnuje pohyb jednoho miliampéru a čte výstupní napětí (bezprostředně podél výstupních svorek) nebo proud (měřením napětí kolem R7) podle volby ze spínače na předním panelu SV2

Rozložení desky plošných spojů pro napájecí obvod 40 V.

KONSTRUKCE

Navrhované rozložení desek plošných spojů pro tento obvod s proměnným napájením 0-40 V musí být použito, protože konstrukce je při tom nesmírně zjednodušena.

Komponenty musí být spojeny na desce, aby byla zajištěna správná polarita diod, tranzistorů, LC a elektrolytů. BDl40 (Q3) musí být instalován tak, aby strana využívající kovový povrch byla ve směru lCl. Malý chladič musí být přišroubován k tranzistoru, jak je znázorněno na obrázku.

Pokud se použije podrobně popsaná zámečnická konstrukce, musí se použít montážní uspořádání.

a) Připojte čelní panel k přední části konstrukce a přišroubujte je k sobě tak, že namontujete měřidlo.

b) Připevněte výstupní svorky, potenciometry a měřicí spínač na přední panel.

c) Katody LED (které jsme aplikovali) byly označeny zářezem v těle, který nebylo možné si všimnout, když byly LED umístěny na přední panel.

Pokud to zní s vaší situací, zmenšete katodové vývody o něco menší, abyste je rozeznali, poté nainstalujte LED diody na místo.

d) Pájejte délky vodičů (asi 180 mm dlouhé) na 240 voltové svorky transformátoru, izolujte svorky pomocí pásky a poté připojte transformátor na místo uvnitř konstrukce.

f) Namontujte napájecí kabel a sponu. zapojte vypínač, izolujte svorky a poté připojte spínač na předním panelu.

g) Upevněte chladič a přišroubujte jej na zadní stranu konstrukce pomocí několika šroubů - poté nainstalujte výkonový tranzistor pomocí izolačních podložek a silikonového maziva.

h) Namontujte smontovanou desku plošných spojů na rám pomocí 10 mm rozpěr.

i) Připojte sekundární transformátor, diody usměrňovače a filtrační kondenzátory. Diody jsou dostatečně tuhé, aby ve skutečnosti nepotřebovaly žádnou další podporu.

j) Kabeláž zahrnující desku a spínače může nyní přicházet prostřednictvím spojovacích bodů se shodnými písmeny ve schématu na předním panelu a schématech překrytí komponent. Jediným potřebným ustanovením by byla kalibrace měřiče. Připojte originální voltmetr k ovládání výstupu napájení tak, aby externí měřič dešifroval 1 5 voltů (nebo 30 voltů u alternativního nastavení).

Seznam náhradních dílů pro navrhovaný napájecí obvod 40 V 2 amp