Circuito de fonte de alimentação ajustável de 0-40 V - Tutorial de construção

Esta fonte de uso geral multiuso gera até 2,5 amperes de zero a 20 volts ou até 1,25 amperes de 0-40 volts. A limitação de corrente é variável dentro de toda a faixa para as opções de saída.

Por Trupti Patil

Especificações principais da fonte de alimentação:

UMA FONTE DE ALIMENTAÇÃO IDEAL deve fornecer uma tensão que seja variável dentro de uma ampla faixa e que permaneça na tensão definida independentemente da tensão da linha ou disparidades de carga.

A alimentação também deve estar protegida contra curto-circuito em toda a sua saída e ser capaz de restringir a corrente de carga para garantir que os dispositivos não sejam danificados por circunstâncias de falha.

Este projeto específico explica uma fonte de alimentação projetada para fornecer 2,5 amperes a até 18 volts (até 20 volts a correntes mais baixas). Ao mesmo tempo, algumas modificações básicas farão com que o suprimento ofereça até 40 volts a 1,25 amperes.

A tensão de alimentação é ajustável entre zero e 'a mais alta disponível, e a limitação de corrente também pode ser ajustada em toda a faixa estipulada. O modo de funcionamento da fonte de alimentação é indicado por meio de dois LEDs.

Aquele próximo ao botão de controle de tensão mostra se a unidade está em configuração de regulação de tensão normal e aquele próximo ao botão de limite de corrente mostra se a unidade está no modo de limite de corrente. Além disso, um grande medidor mostra a saída de corrente ou tensão selecionada por um interruptor.

CARACTERÍSTICAS DE DESIGN

Em nossos estágios preliminares de projeto, pesquisamos diferentes tipos de regulador e os aspectos positivos e desvantagens de cada um para poder escolher aquele que oferece a melhor funcionalidade econômica. As estratégias específicas e suas características podem ser resumidas da seguinte forma.

O regulador de derivação:

Este layout funcionaria principalmente para fontes de alimentação de 10 a 15 watts. Ele oferece excelente regulagem e é internamente resistente a curto-circuito, no entanto, dissipa todo o volume de potência que está equipado para operar em condições sem carga.

O regulador de série.

Este regulador se encaixa em fontes de alimentação média de aproximadamente 50 watts.

Ele pode e é destinado a fontes de alimentação mais altas, embora a dissipação de calor possa ser um problema particularmente em correntes muito altas com tensões de saída baixas.

Ótima regulamentação, geralmente há ruído de saída mínimo e o custo é comparativamente mínimo.

Regulador SRC:

Ideal para propósitos de média a alta potência, este regulador oferece baixa dissipação de potência, embora a ondulação de saída e o tempo de resposta não sejam tão bons quanto os de um regulador em série.

Pré-regulador SCR e regulador em série.

As melhores características dos reguladores SCR e série são combinadas com este tipo de circuito de alimentação empregado para aplicações de média a alta potência. Um pré-regulador SCR é empregado para garantir um fornecimento aproximadamente regulado em torno de cinco volts maior do que o recomendado, acompanhado por um regulador de série adequado.

Isso diminui a perda de potência no regulador em série. No entanto, é muito mais caro construir.

Regulador de comutação.

Também aplicada para aplicações de média a alta potência, esta técnica fornece regulação acessível e baixa dissipação de potência no regulador, embora seja cara de construir e possui uma ondulação de alta frequência na saída.

Fonte de alimentação comutada.

A técnica mais bem-sucedida de todas, esse regulador retifica a rede para operar um inversor a 20 kHz ou mais. Para diminuir ou aumentar a tensão, um transformador de ferrite de baixo custo é comumente empregado, cuja saída é retificada e filtrada para obter a saída CC preferencial.

A regulação da linha é muito boa, mas certamente tem a desvantagem de não poder ser convenientemente aplicada como uma fonte variável, uma vez que é apenas adaptável em um intervalo relativamente menor.

NOSSO PRÓPRIO DESIGN

Nosso princípio de projeto inicial era para uma fonte de alimentação de cerca de 20 volts com saída de 5 a 10 amperes.
Posto isto, face às variedades de reguladores disponíveis, bem como aos custos, optou-se por limitar a corrente a cerca de 2,5 amperes.
Essa abordagem nos ajudou a empregar um regulador em série, o modelo com melhor custo-benefício. Era necessária uma boa regulação, junto com o recurso de limitação de corrente ajustável, além disso, foi escolhido que a fonte de alimentação pudesse funcionar até praticamente zero volts.

Para obter a qualificação final, um barramento de alimentação negativo ou um comparador que pode funcionar usando suas entradas em zero volts é essencial. Ao contrário de usar um trilho de alimentação negativo, decidimos trabalhar com um amplificador operacional CA 3130 IC como comparador.

O CA31 30 precisa de uma única alimentação (máximo de 15 volts) e, no início utilizamos um resistor e 12 volts zener para obter uma alimentação de 12 volts. A tensão de referência foi então criada a partir desta fonte zener por mais um resistor e um zener de 5 volts.

Acreditava-se que isso teria apresentado uma regulação adequada para a tensão de referência, no entanto, praticamente a saída do retificador foi identificada como alterada de 21 para 29 volts mais alguma ondulação e comutação de tensão que ocorreram no zener de 12 volts, como resultado, terminou sendo espelhado na referência zener de 5 volts.

Por esse motivo, o zener de 12 volts foi substituído por um regulador IC que solucionou o problema.

Com todos os reguladores em série, o transistor de saída em série, devido às características do layout, deve dissipar bastante energia, especialmente em baixa tensão de saída e alta corrente. Por esse fator, um dissipador de calor respeitável é uma parte importante da estrutura.

Os dissipadores de calor industriais são incrivelmente caros e freqüentemente difíceis de conectar. Como resultado, criamos nosso próprio dissipador de calor, que não só era mais acessível, mas também funcionava muito melhor do que a variação comercial em que estávamos pensando - sendo mais simples de conectar.

No entanto, com carga total, o dissipador de calor continua a operar quente, assim como o transformador. e em circunstâncias de alta corrente e baixa voltagem, o transistor pode até se tornar muito quente para tocar.
Isso é bastante normal, pois o transistor nessas situações continua funcionando dentro da faixa de temperatura selecionada.

Junto com qualquer fornecimento extremamente regulado, a estabilidade pode ser uma dificuldade. Por este motivo, o modo de operação de regulação de tensão, capacitores C5 e C7 são incluídos para minimizar o ganho do loop em altas frequências e, portanto, evitar que a alimentação oscile.

O valor de C5 foi escolhido para economia ideal entre a estabilidade e o período de reação. Quando o valor de C5 é muito baixo, a taxa de reação é aumentada.

No entanto, existe uma maior possibilidade de falta de estabilidade. Se o tempo de reação excessivo for indevidamente aumentado. No modo de limite de corrente, a funcionalidade idêntica é completada por C4 e as mesmas opiniões são implementadas para o cenário de tensão.

Como a fonte de alimentação tem capacidade para uma saída de corrente relativamente alta, pode haver, sem dúvida, alguma queda de tensão na fiação para os terminais de saída. Isso é compensado pela detecção da tensão nos terminais de saída por meio de um conjunto independente de condutores.

Embora a alimentação tenha sido feita principalmente para 20 volts a 2,5 amperes, acabou sendo recomendado que a mesma fonte pudesse ser usada para fornecer 40 volts a 1,25 amperes e que isso pudesse ser mais apropriado para muitos usuários finais.

Isso pode ser feito modificando as configurações do retificador e alterando alguns componentes. Alguma ideia foi dada para criar o fornecimento comutável, no entanto, as complexidades adicionais e o preço foram de uma forma que foi desconsiderada como vantajosa.

Portanto, você basicamente precisa escolher a configuração que corresponda à sua demanda e construir o suprimento conforme necessário.

A tensão máxima regulada acessível é restringida possivelmente pela tensão de entrada do regulador sendo muito reduzida (com mais de 18 volts e 2,5 amperes) ou talvez a partir da relação de R14 / R15 e pelo valor da tensão de referência. (Saída = R14 + R15 / R15) V ref

Devido à tolerância de ZD1, os 20 volts completos (ou 40 volts) provavelmente não estão acessíveis. Se for identificado como uma situação, R14 deve ser aumentado para o valor favorecido subsequente.

Potenciômetros de uma volta foram fornecidos para os controles de tensão e corrente devido ao fato de serem acessíveis. No entanto, se a capacidade de ajuste precisa de tensão ou controle de corrente for necessária, os potenciômetros de dez voltas devem ser aplicados como um substituto.

COMO FUNCIONA

A rede de 240 volts é reduzida para 40 Vca através do transformador e, com base em qual alimentação foi desenvolvida, retificada para 25 ou 5 Vdc.

Esta tensão é moderada, pois a tensão real será diferente entre 29 volts (58 volts) em vazio e 21 volts (42 volts) em carga total.

Os capacitores de filtro idênticos são empregados em ambas as situações. Eles são conectados em paralelo para sua variante de 25 volts (5000uF) e em série para o modelo de 50 volts (1250uF). No modelo de 50 volts, a derivação central do transformador será acoplada à derivação central dos capacitores, garantindo assim a tensão precisa. partilha entre os condensadores. Além disso, esta configuração oferece uma alimentação de 25 volts para o regulador IC.

O regulador de tensão é essencialmente um tipo em série no qual a impedância do transistor em série é governada de tal forma que essa tensão em toda a carga é mantida constante no valor predeterminado.

O transistor Q4 dissipa uma grande quantidade de energia, particularmente em baixas tensões de saída e alta corrente e, portanto, é instalado no dissipador de calor na parte traseira do produto.

O transistor Q3 traz ganho de corrente para Q4, a colaboração funcionando como um transistor PNP de alta potência e alto ganho. Os 25 volts são reduzidos para 12 volts por meio do regulador de circuito integrado ICI. Esta tensão é comumente empregada como a tensão de alimentação para o CA3130 lCs e é adicionalmente reduzida para 5,1 volts pelo diodo zener ZDI para usar como tensão de referência.

A regulação da tensão é conduzida por lC3 que examina a tensão conforme determinado por RV3 (O a 5,1 'volts) com a tensão de saída dividida por R14 e R15. O divisor fornece uma divisão de 4,2 (O a 21 volts) ou oito (0 a 40 volts).

Por outro lado, na extremidade superior, a tensão obtida é restrita ao ponto em que o regulador consegue perder o controle em alta corrente quando a tensão através do capacitor de filtro atinge a tensão de saída mais alguma ondulação de 100 Hz também pode ser encontrada. A saída do IC3 regula o transistor Q2 que subsequentemente controla o transistor de saída de uma forma que a tensão de saída continua a ser consistente, independentemente das disparidades de linha e carga. A referência de 5,1 volt é oferecida ao emissor de Q2 a Q1.

Este transistor é, na verdade, um estágio de buffer para impedir que a linha de 5,1 volts seja carregada. O controle de corrente é realizado pelo IC2 que analisa a tensão determinada por -RV1 (O a 0,55 volts) usando a tensão criada em torno de R7 pela corrente de carga.

Se, digamos, 0,25 volts for definido no RV1 e a corrente retirada da fonte for pequena, a saída do IC2 será próxima a 12 volts. Isso faz com que o LED 2 acenda, pois o emissor de Q1 está em 5,7 volts.

Conseqüentemente, este LED significa que a alimentação está funcionando no modo regulador de tensão. Se, no entanto, a corrente acionada for elevada de uma forma que a tensão em torno de R7 seja pouco mais de 0,25 volts (em nossa ilustração), a saída do IC2 pode cair. Assim que a saída do IC2 cair abaixo de cerca de 4 volts, o Q2 começa a desligar através dos LED 3 e D5. O resultado disso seria minimizar a tensão de saída para que a tensão em R7 seja incapaz de aumentar mais.

Enquanto isso ocorre, o comparador de tensão IC3 tenta combater o problema e sua saída sobe para 12 volts. IC2 então consome mais corrente para compensar e esta corrente traz o LED 3 para a luminosidade, indicando que a fonte está funcionando no modo de limite de corrente.

Para garantir uma regulagem precisa, os terminais de detecção de tensão são fornecidos aos pontos de saída independentemente daqueles que transportam a corrente de carga. O medidor inclui um movimento de um miliampere e lê a tensão de saída (imediatamente ao longo dos terminais de saída) ou corrente (por ‘medir a tensão em torno de R7) conforme escolhido a partir do interruptor do painel frontal SV2

Layout de PCB para o circuito de alimentação de 40V

CONSTRUÇÃO

O layout de PCB sugerido para este circuito de fonte de alimentação variável de 0-40 V deve ser utilizado, uma vez que a construção é tremendamente simplificada.

Os componentes devem ser colocados juntos na placa garantindo que as polaridades dos diodos, transistores, lCs e eletrolíticos sejam adequadas. O BDl40 (Q3) deve ser instalado de forma que o lado que usa a superfície de metal enfrente na direção do lCl. Um pequeno dissipador de calor deve ser aparafusado ao transistor como demonstrado na foto.

Se o trabalho de metal conforme detalhado for usado, o arranjo de montagem deve ser empregado.

a) Una o painel frontal na frente da estrutura e aparafuse-os um ao outro encaixando o medidor.

b) Fixe os terminais de saída, potenciômetros e chave do medidor no painel frontal.

c) Os cátodos dos LEDs (que aplicamos) foram designados por um entalhe no corpo que não foi possível perceber enquanto os LEDs estavam encaixados no painel frontal.

Se isso parecer o mesmo com o seu, reduza os terminais do cátodo um pouco menores para reconhecê-los, depois instale os LEDs no lugar.

d) Soldar os comprimentos de fio (cerca de 180 mm de comprimento) aos terminais de 240 volts do transformador, isole os terminais com fita adesiva e, em seguida, prenda o transformador no lugar dentro da estrutura.

f) Monte o cabo de alimentação e o grampo do cabo. conecte a chave liga / desliga, isole os terminais e depois conecte a chave no painel frontal.

g) Fixe o dissipador de calor e aparafuse-o na parte de trás da estrutura usando alguns parafusos - depois instale o transistor de potência usando arruelas de isolamento e graxa de silicone.

h) Instale o PCB montado na estrutura usando espaçadores de 10 mm.

i) Ligue o secundário do transformador, diodos retificadores e capacitores de filtro. Os condutores de diodo são rígidos o suficiente para não precisar de nenhum suporte extra.

j) A fiação que envolve a placa e os interruptores pode agora vir por pontos de conexão com letras correspondentes no diagrama do painel frontal e diagramas de sobreposição de componentes. O único estabelecimento necessário seria calibrar o medidor. Conecte um voltímetro genuíno ao controle de saída da fonte de alimentação de modo que o medidor externo decifre 15 volts (ou 30 volts na configuração alternativa).

Lista de peças para o circuito de fonte de alimentação de 2 amp de 40 V proposto