Настольный регулируемый источник питания DIY на основе LM317: 13 шагов (с изображениями)

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-01-13 06:58

Источник питания, несомненно, является абсолютно необходимым оборудованием для любой лаборатории электроники или любого, кто хочет заниматься электронными проектами, особенно источник переменного тока. В этом уроке я покажу вам, как я построил источник питания с переменным напряжением 1,2–30 В на основе линейного положительного стабилизатора LM317 (фактически от 1,2 В до входного напряжения - 2,7 В).

Это те функции, которые я хотел, чтобы мой блок питания имел.

• Один регулируемый выход с минимальным током 2 А.
• Фиксированный выход 12 В с током 2 А.
• Фиксированный выход 5 В с током 2 А.
• Фиксированный выход 3,3 В с током 1 А.
• Два порта USB для зарядки телефонов на 1А.

В источнике питания не используется трансформатор, вместо этого он снижает постоянное входное напряжение в диапазоне 15-35 В до множества различных выходных напряжений. Таким образом, вы можете запитать это устройство от любого ИИП с номинальным напряжением 15-35 В и током 2-5 А ИЛИ от трансформаторного источника питания с такими же характеристиками.

Шаг 1. Подготовка

1. Перейдите на страницу https://www.autodesk.com/products/eagle/free-download и загрузите программное обеспечение для захвата схем Eagle для своей операционной системы.
2. Перейдите на https://www.sketchup.com/download, загрузите последнюю версию SketchUp и установите ее.
3. Найдите хороший ИИП с номинальным напряжением 15–36 В ИЛИ сделайте трансформаторный источник питания с выходным напряжением 15–36 В постоянного тока.

Шаг 2: Схема

Схема даст вам представление о моем плане. Но он не был разработан для создания файла печатной платы, поскольку я обычно перфорирую свои разовые проекты. Так что мне было наплевать на пакеты компонентов. Вы должны выбрать подходящие пакеты, если хотите создать разводку печатной платы. Для каждого имеется три LM317 и три транзистора PNP TIP2955. Каждый из этих LM317 снижает входное напряжение 36 В до запрограммированного напряжения. U2 будет выдавать постоянное 12 В, U3 будет выдавать переменное напряжение, а U1 будет вырабатывать вспомогательные 12 В для других регуляторов 5 В и 3,3, чтобы уменьшить рассеиваемое ими тепло.

LM317 может обеспечивать выходной ток более 1,5 А. Но в этом случае при большой разнице входных и выходных напряжений LM317 придется отводить избыточную мощность в виде тепла; столько тепла. Итак, мы используем элементы pass. Здесь я использовал силовой транзистор TIP2955 в качестве проходного элемента на положительной стороне. Вы можете использовать TIP3055 или 2N3055 в качестве проходного элемента на отрицательной или выходной стороне. Но причина, по которой я выбрал PNP, заключается в том, что они не изменяют выходное напряжение, как это сделали бы NPN-транзисторы (при использовании NPN выходное напряжение будет на + 0,7 В выше). Транзисторы PNP используются в качестве проходных элементов в стабилизаторах с малым и сверхнизким падением напряжения. Но они демонстрируют некоторые проблемы со стабильностью выхода, которые можно смягчить, добавив на выходе конденсаторы.

Резисторы R5, R7 и R9 мощностью 2 Вт будут создавать напряжение, достаточное для смещения проходных транзисторов при малых токах. Вспомогательный выход 12 В подключен к входам трех регуляторов LM2940 со сверхнизким падением напряжения 5 В 1 А, два из которых используются для выходов USB, а другой - для выхода на лицевую панель. Один из выходов 5В подключен к регулятору AMS1117 на выход 3,3В. Итак, это серия сетей разных регуляторов.

Выходной сигнал переменной берется из U3, как показано на схеме. Я использовал потенциометр 5K последовательно с потенциометром 1K для грубой и точной регулировки выходного напряжения. Модуль вольтметра DSN DVM-368 (учебник на моем веб-сайте) подключен к выходу переменной для отображения напряжения на передней панели. См. Раздел «Электропроводка», чтобы увидеть, какие изменения необходимо внести в модуль вольтметра. Вы можете использовать любые другие модули V или A без особых модификаций.

Загрузите изображение схемы в формате-p.webp

Шаг 3. 3D-модель SketchUp

Чтобы спланировать размещение разъемов, переключателей и т. Д. И получить правильные размеры для резки плиты МДФ, алюминиевого канала и т. Д., Я сначала спроектировал 3D-модель блока блока питания в SketchUp. У меня уже были все компоненты с собой. Так что спроектировать модель было легко. Я использовал плиты МДФ толщиной 6 мм и алюминиевые профили (уголки) размером 25 мм и толщиной 2 мм. Вы можете скачать файл модели SketchUp по ссылке ниже.

Файл SketchUp 2014 блока питания LM317: Загрузите файл ниже. Вы можете свободно загружать, изменять и распространять этот материал.

Шаг 4: Соберите инструменты и детали

Это необходимые материалы, инструменты и компоненты.

Для блока БП,

• Доска МДФ толщиной 6 мм.
• Угловые профили из алюминия - размер 25 мм, толщина 2 мм.
• Винты со шлицевой головкой 25 мм с полукруглой головкой и подходящими гайками и шайбами.
• Акрил или лист АБС толщиной 3-4 мм.
• Старый процессор Алюминиевый радиатор и вентилятор.
• Ножки ПВХ размером 1,5 см.
• Матовая черная аэрозольная краска.
• Грунтовка для МДФ.

Для печатной платы,

• 3x TIP2955 (корпус TO-247)
• Слюдяные изоляторы для транзисторов ТО-247
• 3x LM317T
• 3x LM2940
• 1x AMS1117-3.3
• 3x резистора по 2Вт, 100 Ом
• Керамические конденсаторы 10x100 нФ
• 6x 1N4007 диодов
• Электролитические колпачки 470 мкФ, 40 В
• 1x 6A4 диод
• 3 резистора по 1 кОм
• 3 резистора по 200 Ом
• 1x предохранители и держатели предохранителей на 3-4 А
• Электролитические колпачки 100 мкФ, 10 В
• 1x 1K линейный потенциометр
• 1x 5K линейный потенциометр
• 2x ручки потенциометра
• 2-контактные клеммные колодки
• Радиаторы для корпусов TO220
• Паста для радиатора
• 4x тумблерных / рычажных переключателя SPST
• Кабели и провода от старых блоков питания ПК
• Трубки термоусадочные 3мм и 5мм
• Печатная плата с перфорированной матрицей
• Заголовки штыревых контактов
• 2x розетки USB типа A рецепторов
• 4 разъема для динамиков ИЛИ 8 клемм для крепления
• 1x кулисный переключатель SPST / DPDT
• 4x светодиода 3мм / 5мм
• 1x вольтметр DSN-DVM-368
• 5 штекерных разъемов постоянного тока (привинчиваемые)
• Пластиковые стойки

Инструменты

• Полотна для ножовки
• Дрель
• Носовой игрок
• Различные типы файлов
• Различные типы гаечных ключей
• Рулетка
• Черный перманентный маркер для компакт-дисков
• Множество типов отверток Philips и шлицевых (купить в комплекте)
• Выдвижной нож и лезвия
• Поворотный инструмент (необязательно, если у вас есть навыки)
• Наждачная бумага зернистостью 300 и 400
• Кусачки (для медных проводов)
• Мультиметр
• Паяльник
• Припой и флюс
• Инструмент для зачистки проводов
• Пинцет
• И любой инструмент найдёшь.
• Маска от загрязнений / пыли для защиты от краски.

Шаг 5: Сборка печатной платы

Отрежьте перфорированную плату в соответствии с вашими требованиями. Затем разместите и припаяйте компоненты согласно схеме. Файл печатной платы для травления не делал. Но вы можете использовать приведенный ниже файл схемы Eagle, чтобы сделать печатную плату самостоятельно. В противном случае используйте свою изобретательность, чтобы спланировать размещение и разводку, и хорошо все припаяйте. Вымойте печатную плату раствором IPA (изопропиловый спирт), чтобы удалить остатки припоя.

Шаг 6: создание коробки

Все размеры, с которыми должны быть вырезаны плита МДФ, алюминиевые каналы, размеры отверстий, размещение отверстий и все это в модели SketchUp. Просто откройте файл в SketchUp. Я сгруппировал части вместе, поэтому вы можете легко скрыть части модели и использовать инструмент «Измерение» для измерения размеров. Все размеры указаны в миллиметрах или сантиметрах. Для сверления отверстий используйте сверла 5 мм. Всегда проверяйте совмещение отверстий и других деталей, чтобы убедиться, что все легко совмещается. Используйте наждачную бумагу, чтобы разгладить поверхность МДФ и алюминиевых каналов.

Вы поймете, как построить коробку, после того, как изучите 3D-модель. Вы можете изменить его в соответствии с вашими потребностями. Это место, где вы можете максимально использовать свой творческий потенциал и воображение.

Для передней панели используйте акрил или лист АБС и вырежьте в нем отверстия с помощью лазерного резака, если вы можете получить к нему доступ. Но, к сожалению, у меня не было лазерного станка, и найти его было бы утомительно. Поэтому я решил придерживаться традиционного подхода. Я нашел пластиковые рамки и коробки от старых холодильников в магазине металлолома. На самом деле я их купил по неразумной цене. Одна из этих рам была достаточно толстой и плоской, чтобы ее можно было использовать в качестве передней панели; он не был ни слишком толстым, ни слишком тонким. Я вырезал его с правильными размерами, просверлил и вырезал в нем отверстия, чтобы разместить все переключатели и выходные разъемы. Моими основными инструментами были ножовка и сверлильный станок.

Из-за особой конструкции коробки у вас могут возникнуть проблемы с прикреплением передней панели к остальной части коробки. Я приклеил пластиковые части из АБС-пластика за передними углами и прикрутил к ним напрямую, без гаек. Вам нужно будет сделать что-то подобное или что-то получше.

В качестве радиатора я использовал кулер от старого процессора. Я просверлил в нем отверстия и прикрепил все три проходных транзистора с слюдяными изоляторами (ЭТО ВАЖНО!) Между ними для гальванической развязки. Понимая, что радиатор сам по себе не справится с этой задачей, позже я добавил охлаждающий вентилятор снаружи радиатора и подключил его к вспомогательному 12 В.

Шаг 7: покраска коробки

Сначала вы должны отшлифовать МДФ наждачной бумагой зернистостью 300 или 400. Затем нанесите тонкий равномерный слой грунтовки для дерева или грунтовки для МДФ. Нанесите еще один слой после того, как первый слой достаточно высохнет. Повторите это в соответствии с вашими требованиями и дайте ему высохнуть в течение 1-2 дней. Перед нанесением краски необходимо отшлифовать грунтовочный слой. Окрашивать легко при помощи прессованных баллончиков с краской.

Шаг 8: Подключение

Закрепите плату, которую вы припаяли, в центре нижнего листа и прикрутите ее с помощью небольших крепежных винтов и распорок между ними. Я использовал провода от старых компьютерных блоков питания, они хорошего качества. Вы можете припаять провода прямо к плате или использовать разъемы или контактные разъемы. Я сделал БП в спешке, поэтому никаких разъемов не использовал. Но рекомендуется всегда и везде использовать разъемы, чтобы все было модульным и легко собиралось и разбиралось.

При подключении и первоначальном тестировании я столкнулся с довольно странными проблемами. Во-первых, нестабильность вывода. Поскольку мы используем проходные элементы PNP, выходной сигнал будет колебаться, что приведет к снижению эффективного постоянного напряжения на измерителе. Мне пришлось подключить дорогостоящие электролитические конденсаторы, чтобы исправить эту проблему. Следующей проблемой была разница в выходном напряжении на плате и на выходных разъемах! Я до сих пор не знаю, в чем именно проблема, но я решил это, припаяв несколько резисторов высокого номинала, 1 кОм, 4,7 кОм и т. Д., Непосредственно на выходных клеммах. Я использовал резистор номиналом 2 кОм (1 кОм + 1 кОм) для программирования выходов Aux 12 В и основных 12 В.

Нам нужен только вольтметр DSN-DVM-368 для переменного выхода, так как все остальные выходы фиксированные. Сначала вы должны отсоединить (ВАЖНО!) Перемычку (Jumper 1), как показано на рисунке, затем использовать три провода, как показано на схеме. В вольтметре уже есть стабилизатор на 5В. Подача 12 В непосредственно на него вызовет нежелательный нагрев. Поэтому мы используем регулятор 7809, 9В между AUX 12V и входом Vcc вольтметра. Мне пришлось сделать 7809 «плавающим» компонентом, поскольку он был добавлен после того, как я припаял плату.

Шаг 9: Тестирование

Подключите ИИП с номинальным напряжением от 15 до 35 В и током минимум 2 А к входу платы через цилиндрический разъем постоянного тока. Я использовал ИИП 36В 2А со встроенной защитой от сверхтока (отключением). См. Выше таблицу измерений нагрузочного теста.

Регулировка нагрузки здесь не очень хорошая из-за ограничения выходной мощности используемого мной ИИП. Это ограничит ток и отключит при высоких токах. Поэтому я не мог проводить испытания импульсным током. До 14 В регулировка нагрузки казалась хорошей. Но выше установленного напряжения 15 В (№ 8, № 9, № 10), когда я подключаю нагрузку, выходное напряжение уменьшится примерно до 15 В при постоянном токе 3,24 А. На № 10 загруженное напряжение составляет половину установленного напряжения при токе 3,24 А! Таким образом, похоже, что мой SMPS не обеспечивает достаточный ток, чтобы поддерживать напряжение на установленном уровне. Максимальная мощность, которую я смог получить, составила # 11, 58 Вт. Итак, пока вы поддерживаете низкий выходной ток, выходное напряжение будет оставаться там, где оно должно быть. Всегда следите за напряжением, током и температурой радиатора, так как там будет рассеиваться значительное количество энергии.

Шаг 10: Завершение

Закончив тесты, соберите все и промаркируйте переднюю панель так, как вам нравится. Я покрасил переднюю панель серебристой краской и использовал перманентный маркер, чтобы пометить предметы (не лучший способ). Я наклеил наклейку «сделай сам», которую получил с моим первым Arduino, спереди.

Шаг 11: плюсы и минусы

Такая конструкция блока питания имеет множество преимуществ и недостатков. Их всегда стоит изучать.

Преимущества

• Легко спроектировать, построить и модифицировать, поскольку это источник питания с линейной регулировкой.
• Меньше нежелательных пульсаций на выходе по сравнению с обычными модулями SMPS.
• Меньше электромагнитных / радиочастотных помех.

Недостатки

• Низкий КПД - большая часть энергии уходит в тепло на радиаторах.
• Плохое регулирование нагрузки по сравнению с конструкцией источника питания SMPS.
• Большой размер по сравнению с аналогичными ИИП.
• Нет текущих измерений или ограничений.

Шаг 12: Устранение неполадок

Цифровой мультиметр - лучший инструмент для устранения проблем с питанием. Перед пайкой на макетной плате проверьте все регуляторы. Если у вас два цифровых мультиметра, то можно одновременно измерять ток и напряжение.

1. Если на выходе нет питания, проверьте напряжение на входном контакте, на входных контактах регулятора и дважды проверьте правильность подключения печатной платы.
2. Если вы обнаружите, что выход колеблется, добавьте электролитический конденсатор емкостью не менее 47 мкФ возле выходных клемм. Вы можете припаять их прямо к выходным клеммам.
3. Не закорачивайте выходы и не подключайте к выходам низкоомную нагрузку. Это может привести к отказу регуляторов, поскольку в нашей конструкции нет ограничения по току. Используйте предохранитель соответствующего номинала на основном входе.

Шаг 13: Улучшения

Это базовый линейный источник питания. Так что вы можете многое улучшить. Я построил его в спешке, потому что мне так сильно требовался какой-то источник переменного тока. С его помощью в будущем я смогу создать лучший «прецизионный цифровой источник питания». Вот несколько способов улучшить текущий дизайн.

1. Мы использовали линейные регуляторы, такие как LM317, LM2940 и т. Д. Как я уже сказал, они настолько неэффективны и не могут использоваться для установки с батарейным питанием. Итак, что вы можете сделать, это найти один из этих дешевых понижающих модулей DC-DC в любом онлайн-магазине и заменить им линейные регуляторы. Они более эффективны (> 90%), имеют лучшее регулирование нагрузки, большую токовую нагрузку, ограничение тока, защиту от короткого замыкания и все такое. LM2596 - один из таких. У понижающих (понижающих) модулей сверху будет прецизионный потенциометр. Вы можете заменить его «многооборотным потенциометром» и использовать его на передней панели вместо обычных линейных потенциометров. Это даст вам больше контроля над выходным напряжением.
2. Здесь мы использовали только вольтметр, поэтому мы не знаем, какой ток подает наш блок питания. Доступны дешевые модули измерения «Напряжение и ток». Купите один и добавьте к выходу, может быть по одному на каждый выход.
3. В нашем дизайне нет функции ограничения тока. Так что попробуйте улучшить его, добавив функцию ограничения тока.
4. Если ваш вентилятор радиатора шумит, попробуйте добавить термочувствительный контроллер вентилятора, возможно, с регулировкой скорости.
5. Можно легко добавить функцию зарядки аккумулятора.
6. Отдельные выходы для тестирования светодиодов.

Первое место в конкурсе источников питания