Regulowany obwód zasilania 0-40 V - samouczek budowy

Ten uniwersalny zasilacz ogólnego przeznaczenia generuje do 2,5 ampera od zera do 20 woltów lub do 1,25 ampera od 0 do 40 woltów. Ograniczenie prądu jest zmienne w całym zakresie dla każdej opcji wyjścia.

Trupti Patil

Główne specyfikacje zasilacza:

IDEALNE ZASILANIE musi zapewniać napięcie, które jest zmienne w szerokim zakresie i pozostaje w ustawionym napięciu niezależnie od napięcia sieciowego lub różnic obciążenia.

Zasilanie musi być również zabezpieczone przed zwarciem na całym wyjściu i powinno być w stanie ograniczyć prąd obciążenia, aby zapewnić, że urządzenia nie zostaną uszkodzone w wyniku awarii.

Ten konkretny projekt wyjaśnia zasilacz zaprojektowany do dostarczania 2,5 ampera przy maksymalnie 18 woltach (do 20 woltów przy niższych prądach). Jednocześnie kilka podstawowych modyfikacji sprawi, że zasilacz będzie oferował aż 40 woltów przy 1,25 ampera.

Napięcie zasilania można regulować w zakresie od zera do „najwyższego dostępnego”, a ograniczenie prądu można również regulować w określonym pełnym zakresie. Tryb pracy zasilacza sygnalizowany jest za pomocą dwóch diod LED.

Ten w pobliżu pokrętła regulacji napięcia pokazuje, czy urządzenie jest w normalnym ustawieniu regulacji napięcia, a ten w pobliżu pokrętła ograniczenia prądu pokazuje, czy urządzenie jest w trybie ograniczenia prądu. Ponadto duży miernik pokazuje prąd lub napięcie wyjściowe wybrane za pomocą przełącznika.

CECHY KONSTRUKCYJNE

Podczas gdy na naszych wstępnych etapach projektowania zbadaliśmy różne typy regulatorów oraz pozytywne aspekty i wady każdego z nich, aby móc wybrać taki, który zapewnia najwyższą opłacalną funkcjonalność. Konkretne strategie i ich cechy można podsumować w następujący sposób.

Regulator bocznikowy:

Ten układ działałby głównie w przypadku zasilaczy o niskim poborze mocy około 10 do 15 watów. Zapewnia doskonałą regulację i jest wewnętrznie odporny na zwarcia, jednak rozprasza całą moc, którą jest przystosowany do obsługi w warunkach bez obciążenia.

Regulator serii.

Ten regulator pasuje do zasilaczy średniej mocy około 50 watów.

Może i jest przeznaczony do zasilaczy o większej mocy, chociaż rozpraszanie ciepła może stanowić problem, szczególnie przy bardzo dużym prądzie i niskim napięciu wyjściowym.

Regulacja świetna, generalnie jest niewielki hałas na wyjściu, a koszt jest stosunkowo minimalny.

Regulator SRC:

Idealny do zastosowań o średniej i dużej mocy, ten regulator zapewnia niskie straty mocy, chociaż tętnienia wyjściowe i czas odpowiedzi nie są tak dobre, jak w przypadku regulatorów szeregowych.

Regulator wstępny SCR i regulator szeregowy.

Najlepsze cechy regulatorów SCR i szeregowych są połączone z tego rodzaju obwodem zasilania stosowanym w zastosowaniach o średniej i dużej mocy. Regulator wstępny SCR jest stosowany do zapewnienia z grubsza regulowanego zasilania o około pięć woltów wyższego niż zalecane, wraz z odpowiednim regulatorem szeregowym.

Zmniejsza to straty mocy w regulatorze szeregowym. Jednak jego budowa jest znacznie droższa.

Regulator przełączający.

Technika ta, stosowana również w zastosowaniach o średniej i dużej mocy, zapewnia niedrogą regulację i niskie rozpraszanie mocy w regulatorze, niemniej jednak jest kosztowna w budowie i charakteryzuje się tętnieniem wysokiej częstotliwości na wyjściu.

Zasilacz impulsowy.

Najbardziej skuteczna technika ze wszystkich, ten regulator prostuje sieć, aby obsługiwać falownik z częstotliwością 20 kHz lub nawet więcej. Aby obniżyć lub zwiększyć napięcie, powszechnie stosuje się tani transformator ferrytowy, z którego wyjście jest prostowane i filtrowane w celu uzyskania preferowanego wyjścia DC.

Regulacja liniowa jest bardzo dobra, ale z pewnością ma tę wadę, że nie można jej wygodnie zastosować jako źródła zmiennego, ponieważ można ją po prostu dostosować w stosunkowo mniejszym zakresie.

NASZ WŁASNY DESIGN

Nasza początkowa zasada projektowa zakładała zasilacz około 20 woltów przy mocy wyjściowej od 5 do 10 amperów.
To powiedziawszy, biorąc pod uwagę różnorodność łatwo dostępnych regulatorów, a także koszty, zdecydowano się na ograniczenie prądu do około 2,5 A.
Takie podejście pomogło nam zastosować regulator szeregowy, najbardziej opłacalny model. Konieczna była dobra regulacja, wraz z regulowaną funkcją ograniczenia prądu, a dodatkowo wybrano, że zasilacz może być sprawny aż do praktycznie zera woltów.

Aby uzyskać ostateczną kwalifikację, niezbędna jest ujemna szyna zasilająca lub komparator, który może działać przy zerowym napięciu wejściowym. Zamiast używać ujemnej szyny zasilającej, zdecydowaliśmy się na pracę ze wzmacniaczem operacyjnym CA3l30 IC jako komparatorem.

CA3l 30 wymaga pojedynczego zasilania (maksymalnie 15 V) i na początku używaliśmy rezystora i l 2 V Zenera, aby uzyskać zasilanie 12 V. Napięcie odniesienia zostało następnie wytworzone z tego źródła Zenera przez jeszcze jeden rezystor i 5-woltowy Zener.

Uważano, że zapewniłoby to odpowiednią regulację napięcia odniesienia, jednak praktycznie stwierdzono, że wyjście z prostownika zmienia się z 21 do 29 V plus niektóre tętnienia i przełączanie napięcia, które miało miejsce na 12 V Zenera, w wyniku czego zakończyło się są odzwierciedlane w 5-woltowym układzie odniesienia Zenera.

Z tego powodu 12-woltowy Zener został zastąpiony regulatorem LC, który rozwiązał ten problem.

We wszystkich regulatorach szeregowych tranzystor z wyjściami szeregowymi z charakterystyk układu powinien rozpraszać dużo mocy, szczególnie przy niskim napięciu wyjściowym i wysokim prądzie. Z tego powodu poważny radiator jest ważną częścią konstrukcji.

Radiatory przemysłowe są niewiarygodnie drogie i często trudne w montażu. W rezultacie stworzyliśmy nasz własny radiator, który był nie tylko bardziej przystępny cenowo, ale także działał znacznie lepiej niż komercyjna wersja, o której myśleliśmy - był prostszy w montażu.

Niemniej jednak przy pełnym obciążeniu radiator nadal działa na ciepło, podobnie jak transformator. aw warunkach wysokiego prądu i niskiego napięcia tranzystor może nawet stać się zbyt skwierczący, aby go dotknąć.
Jest to całkiem normalne, ponieważ tranzystor w takich sytuacjach nadal działa w wybranym zakresie temperatur.

W połączeniu z wszelkimi skrajnie regulowanymi dostawami stabilność może być trudna. Z tego powodu tryb pracy z regulacją napięcia, kondensatory C5 i C7 są dołączone, aby zminimalizować wzmocnienie pętli przy wysokich częstotliwościach, a tym samym uniknąć oscylacji zasilania.

Wartość C5 została wybrana tak, aby idealnie skrócić czas między stabilnością a okresem reakcji. Gdy wartość C5 jest zbyt niska, szybkość reakcji wzrasta.

Istnieje jednak większe prawdopodobieństwo braku stabilności. Jeśli nadmierny czas reakcji zostanie nadmiernie wydłużony. W trybie ograniczenia prądu identyczną funkcjonalność uzupełnia C4 i wprowadzane są dokładnie takie same opinie, jak w przypadku scenariusza napięciowego.

Ponieważ zasilacz ma zdolność generowania stosunkowo dużego prądu wyjściowego, niewątpliwie może wystąpić pewien spadek napięcia na okablowaniu prowadzącym do zacisków wyjściowych, co jest kompensowane przez wykrywanie napięcia na zaciskach wyjściowych przez niezależny zestaw przewodów.

Chociaż zasilanie było zasadniczo wykonane dla 20 woltów przy 2,5 amperach, ostatecznie zalecono, aby dokładnie to samo zasilanie mogło dostarczać 40 woltów przy 1,25 ampera i że może to być bardziej odpowiednie dla wielu użytkowników końcowych.

Można to osiągnąć poprzez modyfikację ustawień prostownika i zmianę kilku elementów. Pojawił się pewien pomysł, aby stworzyć możliwość przełączania dostaw, jednak dodatkowe zawiłości i cena były w taki sposób, że nie uznano tego za korzystne.

Dlatego musisz zasadniczo wybrać konfigurację, która odpowiada Twojemu zapotrzebowaniu i zbudować podaż w razie potrzeby.

Maksymalne dostępne napięcie regulowane jest ograniczone prawdopodobnie przez zbyt niskie napięcie wejściowe do regulatora (o więcej niż 18 V i 2,5 A) lub być może przez stosunek R14 / R15 i wartość napięcia odniesienia. (Wyjście = R14 + R15 / R15) V ref

Ze względu na tolerancję ZD1 całe 20 woltów (lub 40 woltów) prawdopodobnie nie jest dostępne. Jeśli zostanie zidentyfikowany jako sytuacja, R14 należy zwiększyć do kolejnej preferowanej wartości.

Potencjometry jednoobrotowe zostały podane do regulacji napięcia i prądu ze względu na ich przystępną cenę. Jeśli jednak potrzebna jest dokładna nastawa napięcia lub prądu, jako zamiennik należy zastosować potencjometry dziesięcio-obrotowe.

JAK TO DZIAŁA

Napięcie sieciowe 240 V jest obniżane do 40 VAC przez transformator i, na podstawie którego opracowano zasilanie, prostowane do 25 lub 5 V DC.

To napięcie jest w rzeczywistości umiarkowane, ponieważ rzeczywiste napięcie będzie się różnić od 29 woltów (58 woltów) bez obciążenia do 21 woltów (42 woltów) przy pełnym obciążeniu.

W obu przypadkach zastosowano identyczne kondensatory filtrujące. Są one połączone równolegle dla wariantu 25 V (5000 uF) i szeregowo przeznaczone dla modelu 50 V (1250 uF). W modelu 50 V środkowy zaczep transformatora będzie połączony ze środkowym zaczepem kondensatorów, zapewniając w ten sposób dokładne napięcie. współdzielenie między kondensatorami. Ta konfiguracja dodatkowo zapewnia zasilanie 25 V regulatora LC.

Regulator napięcia jest zasadniczo typem szeregowym, w którym impedancja szeregowego tranzystora jest regulowana w taki sposób, że napięcie to w całym obciążeniu jest utrzymywane na stałym poziomie z góry określonej wartości.

Tranzystor Q4 rozprasza dużą ilość energii, szczególnie przy niskim napięciu wyjściowym i wysokim prądzie, dlatego jest on instalowany na radiatorze z tyłu produktu.

Tranzystor Q3 przenosi wzmocnienie prądowe do Q4, współpraca działa jak tranzystor PNP o dużej mocy i dużym wzmocnieniu. Napięcie 25 woltów jest obniżane do 12 woltów przez zintegrowany regulator obwodu ICI. To napięcie jest powszechnie stosowane jako napięcie zasilania dla CA3130 LC i jest dodatkowo obniżane do 5,1 V przez diodę Zenera ZDI, która służy jako napięcie odniesienia.

Regulacja napięcia jest prowadzona przez lC3, który bada napięcie określone przez RV3 (od O do 5,1 'V) z napięciem wyjściowym podzielonym przez R14 i R15. Dzielnik zapewnia podział 4,2 (od O do 21 woltów) lub osiem (od 0 do 40 woltów).

Z drugiej strony w wyższej klasie napięcie możliwe do uzyskania jest ograniczone do punktu, w którym regulator traci kontrolę przy wysokim prądzie, gdy napięcie przepływające przez kondensator filtra osiąga napięcie wyjściowe, a dodatkowo można również znaleźć tętnienie o częstotliwości 100 Hz. Wyjście układu IC3 reguluje tranzystor Q2, który następnie steruje tranzystorem wyjściowym w taki sposób, że napięcie wyjściowe pozostaje stałe niezależnie od różnic między liniami i obciążeniem. Napięcie odniesienia 5,1 V jest oferowane do emiterów od Q2 do Q1.

Ten tranzystor jest w rzeczywistości stopniem buforowym, aby przeciwdziałać obciążeniu linii 5,1 wolta. Kontrola prądu jest prowadzona przez układ IC2, który analizuje napięcie określone przez -RV1 (od O do 0,55 V) przy użyciu napięcia wytworzonego wokół R7 przez prąd obciążenia.

Jeśli powiedzmy, że na RV1 zdefiniowano 0,25 wolta, a prąd pobierany z zasilania jest mały, wyjście IC2 będzie bliskie 12 woltów. Prowadzi to do zaświecenia diody LED 2, ponieważ emiter Q1 ma napięcie 5,7 wolta.

W konsekwencji ta dioda LED oznacza, że ​​to zasilanie działa w trybie regulatora napięcia. Jeśli jednak prąd napędzany jest podwyższony w taki sposób, że napięcie wokół R7 jest nieco powyżej 0,25 wolta (na naszej ilustracji), moc wyjściowa IC2 może spaść. Gdy wyjście IC2 spadnie poniżej około 4 V, Q2 zacznie się wyłączać za pomocą diod LED 3 i D5. Wynikiem tego byłoby zminimalizowanie napięcia wyjściowego, tak aby napięcie w całym R7 nie mogło wzrosnąć bardziej.

Podczas gdy ma to miejsce, komparator napięcia IC3 próbuje przeciwdziałać problemowi, a jego moc wyjściowa wzrasta do 12 woltów. IC2 zużywa wtedy więcej prądu do uzupełnienia, a ten prąd powoduje świecenie diody LED 3, co oznacza, że ​​zasilacz pracuje w trybie ograniczenia prądu.

Aby zapewnić precyzyjną regulację, zaciski wykrywające napięcie są dostarczane do punktów wyjściowych Niezależnie od tych, które transportują prąd obciążenia. Miernik obejmuje jeden miliamperowy ruch i odczytuje napięcie wyjściowe (bezpośrednio wzdłuż zacisków wyjściowych) lub prąd (przez „pomiar napięcia wokół R7), zgodnie z wyborem z przełącznika SV2 na panelu przednim

Schemat PCB dla obwodu zasilania 40V

BUDOWA

Sugerowany układ PCB dla tego obwodu o zmiennym zasilaniu 0-40 V musi być wykorzystany, ponieważ konstrukcja jest przy tym ogromnie uproszczona.

Komponenty należy złożyć razem na płycie, upewniając się, że polaryzacja diod, tranzystorów, lC i elektrolitów jest odpowiednia. BDl40 (Q3) musi być zamontowany w taki sposób, aby strona wykorzystująca metalową powierzchnię była zwrócona w kierunku lCl. Do tranzystora należy przykręcić mały radiator, jak pokazano na rysunku.

W przypadku zastosowania konstrukcji metalowej zgodnie z opisem należy zastosować układ montażowy.

a) Połączyć panel przedni z przednią częścią ramy i skręcić je ze sobą, mocując miernik.

b) Zamocuj zaciski wyjściowe, potencjometry i przełącznik miernika na panelu przednim.

c) Katody diod LED (które zastosowaliśmy) zostały oznaczone przez wycięcie w korpusie, którego nie można było zauważyć, gdy diody LED były zamontowane na panelu przednim.

Jeśli to brzmi podobnie do twojej, zmniejsz zaciski katodowe nieco mniejsze, aby je rozpoznać, a następnie zainstaluj diody LED na miejscu.

d) Przylutuj odcinki przewodu (o długości około 180 mm) do zacisków 240 V transformatora, zaizoluj zaciski taśmą, a następnie przymocuj transformator na miejscu wewnątrz ramy.

f) Zamontuj przewód zasilający i zacisk przewodu. podłącz włącznik zasilania, zaizoluj zaciski, a następnie podłącz przełącznik na panelu przednim.

g) Zamocuj radiator i przykręć go z tyłu ramy za pomocą kilku śrub - następnie zainstaluj tranzystor mocy wykorzystując podkładki izolacyjne i smar silikonowy.

h) Zamontować zmontowaną płytkę PCB na ramie, używając dystansów 10 mm.

i) Podłączyć uzwojenie wtórne transformatora, diody prostownicze i kondensatory filtrujące. Przewody diody są na tyle sztywne, że nie wymagają dodatkowego wsparcia.

j) Okablowanie obejmujące płytę i przełączniki może być teraz doprowadzane przez punkty zaczepienia z pasującymi literami na schemacie panelu przedniego i schematach nakładek komponentów. Jedynym wymaganym ustaleniem byłaby kalibracja miernika. Podłącz oryginalny woltomierz do wyjściowego elementu sterującego zasilacza, tak aby zewnętrzny miernik odszyfrował 1 5 woltów (lub 30 woltów w alternatywnej konfiguracji).

Lista części dla proponowanego obwodu zasilania 40 V 2 A