Obvod nastaviteľného napájacieho zdroja 0-40 V - konštrukčný návod

Toto viacúčelové univerzálne napájanie generuje až 2,5 ampéra od 0 do 20 voltov alebo až 1,25 ampéra od 0 do 40 voltov. Aktuálne obmedzenie je variabilné v celom rozsahu pre obidve možnosti výstupu.

Trupti Patil

Hlavné špecifikácie napájacieho zdroja:

IDEÁLNY ZDROJ NAPÁJANIA musí poskytovať napätie, ktoré je premenlivé v širokom rozmedzí a ktoré zostáva v nastavenom napätí bez ohľadu na sieťové napätie alebo rozdiely v zaťažení.

Napájanie musí byť tiež chránené pred skratom na celom svojom výstupe a musí byť schopné obmedziť prúd záťaže, aby sa zabezpečilo, že zariadenia nebudú poškodené poruchovými okolnosťami.

Tento konkrétny projekt vysvetľuje napájací zdroj navrhnutý tak, aby dodával 2,5 ampéra až do 18 voltov (až 20 voltov pri nižších prúdoch). Niekoľko základných úprav zároveň spôsobí, že ponuka napájania bude až 40 voltov pri 1,25 ampéroch.

Napájacie napätie je nastaviteľné od nuly do najvyššieho dostupného hodnoty a obmedzenie prúdu je možné upraviť aj v stanovenom plnom rozsahu. Režim činnosti napájacieho zdroja je indikovaný pomocou dvoch LED diód.

Ten, ktorý je v blízkosti gombíka na reguláciu napätia, ukazuje, či je jednotka v normálnom nastavení regulácie napätia, a ten, ktorý je v blízkosti gombíka obmedzenia prúdu, ukazuje, či je jednotka v režime obmedzenia prúdu. Ďalej veľký merač zobrazuje prúdový alebo napäťový výstup zvolený prepínačom.

VLASTNOSTI DIZAJNU

Zatiaľ čo v našich predbežných fázach návrhu sme skúmali rôzne typy regulátorov a ich pozitívne aspekty a nevýhody, aby sme boli schopní vybrať ten, ktorý poskytuje najlepšiu nákladovo efektívnu funkčnosť. Konkrétne stratégie a ich vlastnosti by sa dali zhrnúť nasledovne.

Regulátor posunu:

Toto rozloženie by fungovalo primárne pre zdroje s nízkym výkonom okolo 10 až 15 wattov. Ponúka vynikajúcu reguláciu a je vnútorne odolný voči skratu, avšak rozptýli celý objem energie, ktorý je schopný zvládnuť pri podmienkach bez záťaže.

Regulátor série.

Tento regulátor je vhodný pre zdroje so stredným napájaním približne 50 wattov.

Môže a je určený pre vyššie zdroje napájania, hoci odvod tepla by mohol byť problémom najmä pri veľmi vysokom prúde s nízkym výstupným napätím.

Regulácia vynikajúca, vo všeobecnosti je tu malý výstupný šum a náklady sú porovnateľne minimálne.

Regulátor SRC:

Tento regulátor, ktorý je ideálny pre účely stredného a vysokého výkonu, poskytuje nízky stratový výkon, hoci zvlnenie výstupu a doba odozvy nie sú ani zďaleka také dobré ako od sériového regulátora.

SCR predregulátor a sériový regulátor.

Najlepšie vlastnosti regulátorov SCR a série sú spojené s týmto druhom napájacieho obvodu používaného pre aplikácie so stredným a vysokým výkonom. Na zaistenie zhruba regulovaného napájania okolo 5 voltov väčšieho, ako je odporúčané, je použitý predregulátor SCR doplnený vhodným sériovým regulátorom.

To znižuje stratu výkonu v sériovom regulátore. Jeho výstavba je však oveľa nákladnejšia.

Spínací regulátor.

Táto technika, ktorá sa tiež používa pre aplikácie so stredným až vysokým výkonom, poskytuje cenovo dostupnú reguláciu a nízky stratový výkon v regulátore, napriek tomu je nákladná z hľadiska konštrukcie a má vysokofrekvenčné zvlnenie výstupu.

Spínaný napájací zdroj.

Najúspešnejšia technika zo všetkých, tento regulátor usmerňuje sieť tak, aby fungovala s invertorom s frekvenciou 20 kHz alebo viac. Na zníženie alebo zvýšenie napätia sa bežne používa lacný feritový transformátor, ktorého výstup je usmernený a filtrovaný, aby sa získal preferovaný jednosmerný výstup.

Regulácia vedenia je veľmi dobrá, ale určite má nevýhodu, že ju nie je možné vhodne použiť ako variabilný zdroj, pretože je adaptabilná iba v relatívne menšom rozsahu.

NÁŠ VLASTNÝ DIZAJN

Náš pôvodný princíp návrhu bol pre napájanie okolo 20 voltov pri výstupe 5 až 10 ampérov.
Vzhľadom na to, že odrody regulačných prvkov, ktoré sú ľahko dostupné, a tiež vzhľadom na náklady, bolo zvolené obmedziť prúd na asi 2,5 ampéra.
Tento prístup nám pomohol zamestnať regulátor série, cenovo najefektívnejší model. Bola nevyhnutná dobrá regulácia spolu s nastaviteľnou funkciou obmedzenia prúdu a navyše sa zvolilo, že napájací zdroj by mohol byť funkčný až do prakticky nulových voltov.

Na získanie konečnej kvalifikácie je nevyhnutná záporná napájacia koľajnica alebo komparátor, ktorý môže bežať s použitím svojich vstupov pri nulových voltoch. Na rozdiel od použitia zápornej napájacej lišty sme sa rozhodli pracovať s operačným zosilňovačom IC CA3l30 ako komparátorom.

CA3l 30 potrebuje jediné napájanie (maximálne 15 voltov) a na začiatku sme na získanie napájania 12 voltov použili rezistor a l 2 voltový zenerov zdroj. Z tohto zenerovho napájania bolo potom vytvorené referenčné napätie jedným ďalším rezistorom a 5 voltovým zenerom.

Verilo sa, že by to predstavovalo adekvátnu reguláciu pre referenčné napätie, avšak prakticky bol identifikovaný výstup z usmerňovača, ktorý sa zmenil od 21 do 29 voltov plus niektoré zvlnenie a prepínanie napätia, ku ktorému došlo na 12 voltovom zenerovi, v dôsledku čoho sa skončil zrkadlí do 5 voltovej zenerovej referencie.

Z tohto dôvodu bol 12-voltový zener nahradený regulátorom napätia, ktorý problém napravil.

U všetkých sériových regulátorov by sériový výstupný tranzistor z charakteristík usporiadania mal rozptýliť dostatok energie, najmä pri nízkom výstupnom napätí a vysokom prúde. Z tohto dôvodu je úctyhodný chladič dôležitou súčasťou konštrukcie.

Priemyselné chladiče sú neuveriteľne drahé a ich pripevnenie je často náročné. Vo výsledku sme vytvorili náš vlastný chladič, ktorý bol nielen cenovo dostupnejší, ale fungoval aj oveľa lepšie ako komerčná variácia, o ktorej sme premýšľali - bolo jednoduchšie ho pripojiť.

Napriek tomu pri plnom zaťažení chladič pokračuje v prevádzke teplý rovnako ako transformátor. a za okolností vysokého napätia s nízkym napätím by tranzistor mohol byť dokonca príliš sykavý na dotyk.
Je to celkom normálne, pretože tranzistor v týchto situáciách zostáva funkčný vo svojom zvolenom teplotnom rozmedzí.

Spolu s každou mimoriadne regulovanou dodávkou by mohla byť stabilita problémom. Pre tento motív prevádzkového režimu regulácie napätia sú zahrnuté kondenzátory C5 a C7, aby sa minimalizoval zisk slučky pri vysokých frekvenciách, a preto sa zabránilo kmitaniu napájania.

Hodnota C5 bola zvolená pre ideálne skrátenie medzi stabilitou a reakčným obdobím. Ak je hodnota C5 príliš nízka, rýchlosť reakcie sa zvýši.

Existuje však väčšia možnosť nedostatku stability. Ak sa nadmerne zvýši reakčný čas. V režime prúdového limitu identickú funkčnosť dopĺňa C4 a implementujú sa úplne rovnaké stanoviská ako pri scenári napätia.

Pretože napájací zdroj má schopnosť relatívne vysokého prúdového výstupu, môže nepochybne dôjsť k určitému poklesu napätia na kábloch k výstupným svorkám. To je kompenzované snímaním napätia na výstupných svorkách prostredníctvom nezávislej sady vývodov.

Aj keď sa dodávka v zásade uskutočňovala pre 20 V pri 2,5 A, nakoniec sa odporúčalo, že presne tá istá dodávka môže byť zvyknutá na napájanie 40 V pri 1,25 A, a to môže byť pre mnohých koncových používateľov vhodnejšie.

To by sa dalo dosiahnuť úpravou nastavení usmerňovača a zmenou niekoľkých komponentov. Vytvorila sa prepínateľná ponuka, bola však predložená určitá myšlienka, avšak ďalšie zložitosti a cena boli tak, že sa to nepovažovalo za výhodné.

Preto musíte v zásade zvoliť konfiguráciu, ktorá zodpovedá vášmu dopytu, a podľa potreby zostaviť ponuku.

Maximálne dostupné regulované napätie je obmedzené pravdepodobne príliš nízkym vstupným napätím regulátora (s viac ako 18 V a 2,5 A) alebo možno pomerom R14 / R15 a hodnotou referenčného napätia. (Výstup = R14 + R15 / R15) V ref

Kvôli tolerancii ZD1 nie je pravdepodobne prístupných celých 20 voltov (alebo 40 voltov). Ak sa identifikuje ako situácia, musí sa R14 zvýšiť na nasledujúcu zvýhodnenú hodnotu.

Pre riadenie napätia a prúdu boli dané jednootáčkové potenciometre, pretože sú cenovo dostupné. Ak je však potrebná presná nastaviteľnosť riadenia napätia alebo prúdu, mali by sa ako náhrada použiť desaťotáčkové potenciometre.

AKO TO FUNGUJE

Sieť 240 voltov je prostredníctvom transformátora znížená na 40 Vac, na základe ktorej bolo vyvinuté napájanie, usmernené na 25 alebo 5 Vdc.

Toto napätie je v skutočnosti mierne, pretože skutočné napätie sa bude líšiť od 29 voltov (58 voltov) pri voľnobehu do 21 voltov (42 voltov) pri plnom zaťažení.

V obidvoch prípadoch sa používajú identické filtračné kondenzátory. Sú pripojené paralelne pre váš 25 voltový variant (5 000 uF) a sériovo určené pre 50 voltový model (1250 uF). V modeli s napätím 50 V bude stredový kohút transformátora spojený so stredným kohútikom kondenzátorov, čo zaručuje presné napätie. zdieľanie medzi kondenzátormi. Toto nastavenie navyše ponúka 25 voltové napájanie regulátora lC.

Regulátor napätia je v podstate sériového typu, v ktorom je impedancia sériového tranzistora riadená takým spôsobom, aby sa toto napätie v celej záťaži udržiavalo konštantné na vopred stanovenej hodnote.

Tranzistor Q4 rozptyľuje veľké množstvo energie, najmä pri nízkych výstupných napätiach a vysokom prúde, a je preto inštalovaný na chladiči v zadnej časti produktu.

Tranzistor Q3 prináša do Q4 prúdový zisk, spolupráca funguje ako vysoko výkonný tranzistor PNP s vysokým ziskom. 25 voltov sa zníži na 12 voltov pomocou integrovaného obvodu ICI. Toto napätie sa bežne používa ako napájacie napätie pre CA3130 lC a je navyše znížené na 5,1 voltov pomocou zenerovej diódy ZDI, ktorá sa použije ako referenčné napätie.

Regulácia napätia je vedená pomocou lC3, ktorá skúma napätie určené RV3 (O až 5,1 'voltov) s výstupným napätím deleným R14 a R15. Oddeľovač poskytuje rozdelenie na 4,2 (0 až 21 voltov) alebo osem (0 až 40 voltov).

Na druhej strane v hornom konci je dosiahnuteľné napätie obmedzené do tej miery, že sa regulátoru podarí stratiť kontrolu pri vysokom prúde, keď napätie cez filtračný kondenzátor dosiahne výstupné napätie a tiež možno nájsť zvlnenie 100 Hz. Výstup IC3 reguluje tranzistor Q2, ktorý následne riadi výstupný tranzistor takým spôsobom, aby výstupné napätie bolo stále konzistentné bez ohľadu na rozdiely v linke a zaťažení. 5,1 voltová referencia sa ponúka emitoru Q2 až Q1.

Tento tranzistor je v skutočnosti vyrovnávacou fázou, aby sa zabránilo zaťaženiu 5,1 voltového vedenia. Riadenie prúdu sa vykonáva pomocou IC2, ktorý analyzuje napätie určené -RV1 (O až 0,55 voltov) pomocou napätia vytvoreného okolo R7 záťažovým prúdom.

Ak je na RV1 definovaných povedzme 0,25 voltu a prúd odoberaný zo zdroja je malý, výstup IC2 bude asi 12 voltov. To vedie k rozsvieteniu LED 2, pretože vysielač Q1 je na 5,7 voltov.

Táto LED následne znamená, že toto napájanie funguje v režime regulátora napätia. Ak je však riadený prúd zvýšený tak, že napätie okolo R7 je niečo málo cez 0,25 voltu (na našom obrázku), výkon IC2 môže poklesnúť. Akonáhle výstup IC2 klesne pod asi 4 volty, Q2 sa začne vypínať pomocou LED 3 a D5. Výsledkom by bolo minimalizovanie výstupného napätia, aby napätie v celej R7 nebolo schopné viac prepätia.

Zatiaľ čo k tomu dôjde, napäťový komparátor IC3 sa pokúsi vyrovnať s problémom a jeho výstup stúpa na 12 voltov. IC2 potom spotrebuje viac prúdu na doplnenie a tento prúd vedie k LED 3 k svieteniu, čo znamená, že napájanie pracuje v režime obmedzenia prúdu.

Na zaistenie presnej regulácie sú svorky snímania napätia dodávané do výstupných bodov nezávisle od tých, ktoré prenášajú záťažový prúd. Merač obsahuje pohyb jeden miliampér a číta výstupné napätie (bezprostredne pozdĺž výstupných svoriek) alebo prúd („meraním napätia okolo R7“) podľa výberu z prepínača na prednom paneli SV2.

Usporiadanie PCB pre napájací obvod 40V

STAVBA

Musí sa použiť odporúčané rozloženie plošných spojov pre tento obvod s premenlivým napájaním 0-40 V, pretože konštrukcia je tým nesmierne zjednodušená.

Súčasti musia byť zložené na doske, aby sa zabezpečila správna polarita diód, tranzistorov, LC a elektrolytických látok. BDl40 (Q3) musí byť inštalovaný tak, aby strana využívajúca kovový povrch bola v smere lCl. Malý chladič musí byť priskrutkovaný na tranzistor, ako je to znázornené na obrázku.

Ak sa použije podrobný popis kovania, musí sa použiť montážne usporiadanie.

a) Pripojte predný panel k prednej časti konštrukcie a pripevnite ich pomocou skrutiek k sebe.

b) Na predný panel pripevnite výstupné svorky, potenciometre a merací spínač.

c) Katódy LED (ktoré sme použili) boli označené zárezom v tele, ktorý si nebolo možné všimnúť, keď boli LED diódy namontované na predný panel.

Ak to znie s vašou situáciou, znížte katódové vývody o niečo menšie, aby ste ich rozpoznali, a potom nainštalujte LED diódy na svoje miesto.

d) Spájkujte dĺžky drôtu (okolo 180 mm) na 240 voltové svorky transformátora, izolujte svorky páskou a potom pripevnite transformátor na miesto vo vnútri kostry.

f) Namontujte sieťovú šnúru a svorku. zapojte vypínač, zaizolujte svorky a potom pripevnite vypínač na prednom paneli.

g) Chladič zafixujte a pomocou niekoľkých skrutiek ho priskrutkujte na zadnú časť rámu. Potom nainštalujte výkonový tranzistor pomocou izolačných podložiek a silikónového maziva.

h) Namontujte zostavenú DPS na rám pomocou 10 mm rozperiek.

i) Zapojte sekundárne transformátory, diódy usmerňovača a filtračné kondenzátory. Diódové vodiče sú dostatočne tuhé, aby skutočne nepotrebovali žiadnu ďalšiu podporu.

j) Vodiče zapojené do dosky a spínačov môžu teraz prichádzať pomocou pripájacích bodov so zhodnými písmenami v schéme na prednom paneli a schémach prekrytia komponentov. Jediným potrebným ustanovením by bola kalibrácia meradla. Pripojte originálny voltmeter k ovládaniu výstupu napájacieho zdroja tak, aby externý merací prístroj dešifroval 1 5 voltov (alebo 30 voltov pri alternatívnom nastavení).

Zoznam náhradných dielov pre navrhovaný napájací obvod 40 V 2 amp