0-40V einstellbarer Stromversorgungskreis - Aufbau-Tutorial

Diese Mehrzweck-Universalversorgung erzeugt bis zu 2,5 Ampere von null bis 20 Volt oder bis zu 1,25 Ampere von 0 bis 40 Volt. Die Strombegrenzung ist für beide Ausgangsoptionen innerhalb des gesamten Bereichs variabel.

Von Trupti Patil

Hauptspezifikationen des Netzteils:

EIN IDEALES NETZTEIL muss eine Spannung liefern, die in einem weiten Bereich variabel ist und unabhängig von Netzspannung oder Lastunterschieden in der eingestellten Spannung bleibt.

Die Versorgung muss außerdem während ihres gesamten Ausgangs vor Kurzschlüssen geschützt sein und den Laststrom begrenzen können, um sicherzustellen, dass die Geräte nicht durch fehlerhafte Umstände beschädigt werden.

In diesem speziellen Projekt wird ein Netzteil erläutert, das 2,5 Ampere bei bis zu 18 Volt (bis zu 20 Volt bei niedrigeren Strömen) liefert. Gleichzeitig wird das Versorgungsangebot durch einige grundlegende Änderungen bis zu 40 Volt bei 1,25 Ampere ergeben.

Die Versorgungsspannung ist zwischen Null und dem höchsten verfügbaren Wert einstellbar, und die Strombegrenzung kann auch über den festgelegten vollen Bereich eingestellt werden. Die Betriebsart des Netzteils wird über zwei LEDs angezeigt.

Der neben dem Spannungsregler zeigt an, ob sich das Gerät in der normalen Spannungsregelungseinstellung befindet, und der neben dem Strombegrenzungsknopf zeigt an, ob sich das Gerät im Strombegrenzungsmodus befindet. Darüber hinaus zeigt ein großes Messgerät den von einem Schalter ausgewählten Strom- oder Spannungsausgang an.

DESIGN-MERKMALE

Während unserer vorläufigen Entwurfsphasen haben wir verschiedene Arten von Reglern sowie die positiven Aspekte und Nachteile der einzelnen untersucht, um diejenige auswählen zu können, die die kostengünstigste Funktionalität bietet. Die spezifischen Strategien und ihre Merkmale könnten wie folgt zusammengefasst werden.

Der Shunt-Regler:

Dieses Layout würde hauptsächlich für Stromversorgungen mit geringer Leistung von 10 bis 15 Watt funktionieren. Es bietet eine hervorragende Regelung und ist intern kurzschlussfest, verbraucht jedoch das gesamte Leistungsvolumen, für das es im Leerlauf ausgelegt ist.

Der Serienregler.

Dieser Regler passt für mittelgroße Netzteile mit ca. 50 Watt.

Es kann und ist für höhere Stromversorgungen vorgesehen, obwohl die Wärmeableitung insbesondere bei sehr hohem Strom und niedrigen Ausgangsspannungen ein Problem darstellen kann.

Regulierung groß, im Allgemeinen gibt es ein geringes Ausgangsrauschen und die Kosten sind vergleichsweise gering.

SRC-Regler:

Dieser Regler ist ideal für Zwecke mit mittlerer bis hoher Leistung und bietet eine geringe Verlustleistung, obwohl die Ausgangswelligkeit und die Reaktionszeit bei weitem nicht so gut sind wie bei einem Serienregler.

SCR-Vorregler und Serienregler.

Die besten Eigenschaften der SCR- und Serienregler werden mit dieser Art von Stromversorgungsschaltung kombiniert, die für Anwendungen mit mittlerer bis hoher Leistung verwendet wird. Ein SCR-Vorregler wird verwendet, um eine grob geregelte Versorgung um fünf Volt größer als empfohlen sicherzustellen, begleitet von einem geeigneten Serienregler.

Dies verringert den Leistungsverlust im Serienregler. Der Bau ist jedoch viel teurer.

Schaltregler.

Diese Technik wird auch für Anwendungen mit mittlerer bis hoher Leistung angewendet und bietet eine erschwingliche Regelung und eine geringe Verlustleistung im Regler. Der Aufbau ist jedoch teuer und weist eine Hochfrequenzwelligkeit am Ausgang auf.

Schaltnetzteil.

Dieser Regler ist die erfolgreichste Technik überhaupt und richtet das Netz so aus, dass ein Wechselrichter mit 20 kHz oder noch mehr betrieben wird. Um die Spannung zu senken oder zu erhöhen, wird üblicherweise ein kostengünstiger Ferrittransformator verwendet, dessen Ausgang gleichgerichtet und gefiltert wird, um den bevorzugten Gleichstromausgang zu erhalten.

Die Leitungsregelung ist sehr gut, hat aber sicherlich den Nachteil, dass sie nicht bequem als variable Quelle angewendet werden kann, da sie nur über einen relativ kleinen Bereich anpassbar ist.

UNSER EIGENES DESIGN

Unser ursprüngliches Konstruktionsprinzip war eine Stromversorgung von etwa 20 Volt bei einer Ausgangsleistung von 5 bis 10 Ampere.
Angesichts der leicht verfügbaren Reglersorten sowie der Kosten wurde jedoch beschlossen, den Strom auf etwa 2,5 Ampere zu begrenzen.
Dieser Ansatz half uns, einen Serienregler einzusetzen, das kostengünstigste Modell. Eine gute Regelung war erforderlich, zusammen mit einer einstellbaren Strombegrenzungsfunktion, und es wurde zusätzlich gewählt, dass die Stromversorgung bis praktisch auf Null Volt funktionsfähig sein könnte.

Um die endgültige Qualifikation zu erhalten, ist eine negative Versorgungsschiene oder ein Komparator erforderlich, der mit seinen Eingängen bei Null Volt betrieben werden kann. Im Gegensatz zur Verwendung einer negativen Versorgungsschiene haben wir uns entschieden, mit einem CA3l30 IC-Operationsverstärker als Komparator zu arbeiten.

Der CA3l 30 benötigt eine einzige Versorgung (maximal 15 Volt) und am Anfang haben wir einen Widerstand und einen l 2 Volt Zener verwendet, um eine 12 Volt Versorgung zu erhalten. Die Referenzspannung wurde dann aus dieser Zenerversorgung durch einen weiteren Widerstand und einen 5-Volt-Zener erzeugt.

Es wurde angenommen, dass dies eine angemessene Regelung für die Referenzspannung dargestellt hätte, jedoch wurde praktisch festgestellt, dass sich der Ausgang des Gleichrichters von 21 auf 29 Volt ändert, wobei ein Teil der Welligkeit und Spannungsumschaltung, die über den 12-Volt-Zener stattfand, als Ergebnis endete bis in die 5 Volt Zener Referenz gespiegelt.

Aus diesem Grund wurde der 12-Volt-Zener durch einen IC-Regler ersetzt, der das Problem behoben hat.

Bei allen Serienreglern sollte der Serienausgangstransistor aus den Eigenschaften des Layouts insbesondere bei niedriger Ausgangsspannung und hohem Strom viel Leistung abführen. Für diesen Faktor ist ein seriöser Kühlkörper ein wichtiger Teil der Struktur.

Industriekühlkörper sind unglaublich teuer und häufig schwierig zu befestigen. Als Ergebnis haben wir unseren eigenen Kühlkörper entwickelt, der nicht nur günstiger war, sondern auch viel besser funktionierte als die kommerzielle Variante, über die wir nachgedacht hatten - einfacher zu befestigen.

Trotzdem arbeitet der Kühlkörper bei Volllast weiterhin warm, ebenso wie der Transformator. und unter Hochstrom-Niederspannungsbedingungen könnte der Transistor sogar viel zu brutzeln, um ihn zu berühren.
Dies ist ziemlich normal, da der Transistor in diesen Situationen innerhalb seines ausgewählten Temperaturbereichs noch funktionieren muss.

Zusammen mit einer extrem regulierten Versorgung könnte die Stabilität eine Schwierigkeit sein. Aus diesem Grund sind im Spannungsregelungsbetrieb die Kondensatoren C5 und C7 enthalten, um die Schleifenverstärkung bei hohen Frequenzen zu minimieren und somit ein Schwingen der Versorgung zu vermeiden.

Der Wert von C5 wurde ausgewählt, um idealerweise zwischen Stabilität und Reaktionszeit zu sparen. Wenn der Wert von C5 zu niedrig ist, wird die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht.

Es besteht jedoch eine größere Wahrscheinlichkeit eines Mangels an Stabilität. Wenn die übermäßige Reaktionszeit übermäßig verlängert wird. Im Strombegrenzungsmodus wird die identische Funktionalität von C4 vervollständigt und es werden genau die gleichen Meinungen wie für das Spannungsszenario implementiert.

Da das Netzteil die Fähigkeit hat, einen relativ hohen Strom auszugeben, kann es zweifellos zu einem Spannungsabfall über der Verkabelung zu den Ausgangsanschlüssen kommen. Dies wird durch Erfassen der Spannung an den Ausgangsanschlüssen über einen unabhängigen Satz von Leitungen kompensiert.

Obwohl die Versorgung hauptsächlich für 20 Volt bei 2,5 Ampere ausgelegt war, wurde empfohlen, dass genau dieselbe Versorgung für die Versorgung von 40 Volt bei 1,25 Ampere verwendet werden kann und dass dies für viele Endbenutzer besser geeignet ist.

Dies könnte durch Ändern der Einstellungen des Gleichrichters und durch Ändern einiger Komponenten erreicht werden. Es wurde eine Idee zur Schaffung des umschaltbaren Angebots übergeben, jedoch waren die zusätzlichen Komplexitäten und der Preis so, dass dies nicht als vorteilhaft angesehen wurde.

Daher müssen Sie grundsätzlich eine Konfiguration auswählen, die Ihrer Nachfrage entspricht, und das Angebot nach Bedarf aufbauen.

Die maximal zugängliche geregelte Spannung wird möglicherweise dadurch eingeschränkt, dass die Eingangsspannung des Reglers zu stark reduziert wird (mit mehr als 18 Volt und 2,5 Ampere) oder möglicherweise durch das Verhältnis von R14 / R15 und durch den Wert der Referenzspannung. (Ausgang = R14 + R15 / R15) V ref

Aufgrund der Toleranz von ZD1 sind die vollständigen 20 Volt (oder 40 Volt) wahrscheinlich nicht zugänglich. Wenn es als eine Situation identifiziert wird, muss R14 auf den nachfolgenden bevorzugten Wert erhöht werden.

Single-Turn-Potentiometer wurden für die Spannungs- und Stromregelung angeboten, da sie erschwinglich sind. Wenn jedoch eine genaue Einstellbarkeit der Spannungs- oder Stromregelung erforderlich ist, sollten Potentiometer mit zehn Umdrehungen als Ersatz verwendet werden.

WIE ES FUNKTIONIERT

Das 240-Volt-Netz wird durch den Transformator auf 40 VAC heruntergestuft und auf der Grundlage der entwickelten Versorgung entweder auf 25 oder 5 VDC gleichgerichtet.

Diese Spannung ist tatsächlich moderat, da die tatsächliche Spannung zwischen 29 Volt (58 Volt) im Leerlauf und 21 Volt (42 Volt) im Volllastbereich unterschiedlich ist.

In beiden Situationen werden identische Filterkondensatoren eingesetzt. Diese sind für Ihre 25-Volt-Variante (5000 uF) parallel und für das 50-Volt-Modell (1250 uF) in Reihe geschaltet. Beim 50-Volt-Modell wird der Mittelabgriff des Transformators mit dem Mittelabgriff der Kondensatoren gekoppelt, wodurch eine genaue Spannung garantiert wird. Teilen unter den Kondensatoren. Dieser Aufbau bietet zusätzlich eine 25-Volt-Versorgung des Reglers lC.

Der Spannungsregler ist im wesentlichen ein Serientyp, bei dem die Impedanz des Serientransistors so geregelt wird, dass diese Spannung während der gesamten Last auf dem vorbestimmten Wert konstant gehalten wird.

Der Transistor Q4 verbraucht insbesondere bei niedrigen Ausgangsspannungen und hohem Strom viel Leistung und ist daher auf dem Kühlkörper auf der Rückseite des Produkts installiert.

Der Transistor Q3 bringt eine Stromverstärkung in Q4, wobei die Zusammenarbeit wie ein PNP-Transistor mit hoher Leistung und hoher Verstärkung funktioniert. Die 25 Volt werden durch den ICI-Regler für integrierte Schaltkreise auf 12 Volt verringert. Diese Spannung wird üblicherweise als Versorgungsspannung für die CA3130-LCs verwendet und zusätzlich von der Zenerdiode ZDI auf 5,1 Volt abgesenkt, um sie als Referenzspannung zu verwenden.

Die Spannungsregelung wird von IC3 durchgeführt, der die durch RV3 bestimmte Spannung (O bis 5,1 'Volt) mit der Ausgangsspannung geteilt durch R14 und R15 untersucht. Der Teiler bietet eine Teilung von 4,2 (O bis 21 Volt) oder acht (0 bis 40 Volt).

Andererseits ist die erreichbare Spannung im oberen Bereich auf den Punkt beschränkt, an dem es dem Regler gelingt, die Kontrolle bei hohem Strom zu verlieren, wenn die Spannung durch den Filterkondensator die Ausgangsspannung erreicht, und es kann auch eine Welligkeit von etwa 100 Hz gefunden werden. Der Ausgang von IC3 regelt den Transistor Q2, der anschließend den Ausgangstransistor so steuert, dass die Ausgangsspannung unabhängig von Leitungs- und Lastunterschieden weiterhin konstant bleibt. Die 5,1-Volt-Referenz wird dem Emitter von Q2 bis Q1 angeboten.

Dieser Transistor ist tatsächlich eine Pufferstufe, um zu verhindern, dass die 5,1-Volt-Leitung belastet wird. Die Stromregelung wird von IC2 durchgeführt, der die durch -RV1 (O bis 0,55 Volt) bestimmte Spannung unter Verwendung der durch den Laststrom um R7 erzeugten Spannung analysiert.

Wenn an RV1 beispielsweise 0,25 Volt definiert sind und der aus der Versorgung entnommene Strom gering ist, liegt der Ausgang von IC2 nahe 12 Volt. Dies führt dazu, dass LED 2 aufleuchtet, da der Emitter von Q1 bei 5,7 Volt liegt.

Diese LED zeigt folglich an, dass diese Versorgung im Spannungsreglermodus funktioniert. Wenn jedoch der angesteuerte Strom so erhöht wird, dass die Spannung um R7 etwas über 0,25 Volt liegt (in unserer Abbildung), kann der Ausgang von IC2 abfallen. Sobald der Ausgang von IC2 unter 4 Volt fällt, beginnt Q2 über LED 3 und D5 abzuschalten. Das Ergebnis wäre, die Ausgangsspannung zu minimieren, damit die Spannung in R7 nicht mehr ansteigen kann.

Währenddessen versucht der Spannungskomparator IC3, dem Problem entgegenzuwirken, und sein Ausgang steigt auf 12 Volt. IC2 verbraucht dann mehr Strom zum Auffüllen und dieser Strom bewirkt, dass LED 3 leuchtet, was bedeutet, dass die Versorgung im Strombegrenzungsmodus arbeitet.

Um eine präzise Regelung zu gewährleisten, werden die Spannungserfassungsklemmen unabhängig von denen, die den Laststrom transportieren, an die Ausgangspunkte geliefert. Das Messgerät enthält eine Bewegung von einem Milliampere und liest die Ausgangsspannung (unmittelbar entlang der Ausgangsklemmen) oder den Strom (durch Messen der Spannung um R7), wie vom Schalter SV2 auf der Vorderseite ausgewählt

Leiterplattenlayout für den 40-V-Stromversorgungskreis

KONSTRUKTION

Das vorgeschlagene Leiterplattenlayout für diesen variablen 0-40-V-Stromversorgungskreis muss verwendet werden, da der Aufbau dadurch erheblich vereinfacht wird.

Die Komponenten müssen auf der Platine zusammengefügt werden, um sicherzustellen, dass die Polaritäten von Dioden, Transistoren, LCs und Elektrolyten korrekt sind. Der BDl40 (Q3) muss so installiert werden, dass die Seite mit der Metalloberfläche in Richtung lCl zeigt. Ein kleiner Kühlkörper muss wie in der Abbildung gezeigt am Transistor angeschraubt werden.

Wenn die Metallarbeiten wie beschrieben verwendet werden, muss eine Montageanordnung verwendet werden.

a) Verbinden Sie die Frontplatte mit der Vorderseite des Rahmens und verschrauben Sie sie miteinander, indem Sie das Messgerät anbringen.

b) Befestigen Sie die Ausgangsklemmen, Potentiometer und den Messschalter an der Frontplatte.

c) Die Kathoden der LEDs (die wir angebracht haben) waren durch eine Kerbe im Körper gekennzeichnet, die nicht bemerkt werden konnte, während die LEDs an der Frontplatte angebracht waren.

Wenn dies bei Ihnen der Fall ist, reduzieren Sie die Kathodenanschlüsse etwas, um sie zu erkennen. Installieren Sie anschließend die LEDs.

d) Löten Sie Drahtlängen (ca. 180 mm lang) an die 240-Volt-Klemmen des Transformators, isolieren Sie die Klemmen mit Klebeband und befestigen Sie den Transformator anschließend im Rahmen.

f) Montieren Sie das Netzkabel und den Kabelclip. Verdrahten Sie den Netzschalter, isolieren Sie die Klemmen und befestigen Sie anschließend den Schalter an der Frontplatte.

g) Befestigen Sie den Kühlkörper und schrauben Sie ihn mit ein paar Schrauben auf die Rückseite des Gerüsts. Installieren Sie anschließend den Leistungstransistor mit Isolierscheiben und Silikonfett.

h) Installieren Sie die zusammengebaute Leiterplatte mit 10 mm Abstandhaltern auf dem Rahmen.

i) Verdrahten Sie die Transformatorsekundär-, Gleichrichterdioden und Filterkondensatoren. Die Diodenkabel sind starr genug, um keine zusätzliche Unterstützung zu wünschen.

j) Die Verkabelung zwischen der Platine und den Schaltern kann jetzt möglicherweise durch Anschlusspunkte mit übereinstimmenden Buchstaben im Diagramm auf der Vorderseite und in den Komponentenüberlagerungsdiagrammen erfolgen. Die einzige erforderliche Einrichtung wäre die Kalibrierung des Messgeräts. Schließen Sie ein Original-Voltmeter an die Ausgangssteuerung des Netzteils an, sodass das externe Messgerät 1 bis 5 Volt entschlüsselt (oder 30 Volt bei der alternativen Einrichtung).

Teileliste für den vorgeschlagenen 40-V-Stromversorgungskreis mit 2 Ampere