DIY日记030V可调线性稳压电源

DIY日记——0-30V可调线性稳压电源

啊哲

作为一名电子爱好者,平时喜欢做一些电子小制作,在电路调试与制作过程中经常为电源犯愁,有时候为了调试一个简单的电路而单独搭一个电源,这样即费时又消磨DIY的兴致。最近本人利用手头一些闲置零件,自己打造了一台“MINI”型直流0-30V可调稳压电源。现将整个DIY过程与大家分享。

(图1)

本人在深圳工作时买了几个大小不一的铝合金外壳(当时瞧到这些外壳挺漂亮就买了,一直闲置着),其中一个较大一点的外壳尺寸为:134x106x55mm。家里还闲置了一个功率约30W左右的小变压器(该变压器就是从旧黑白电视机上拆下来的,有8V与18V两组输出),其厚度还刚好能装到这较大尺寸的铝合金外壳内。既然这么巧合,想不“撮合”它们都找不到理由了。那接下来就就是考虑稳压电路部分了,0-30V可调稳压电路可以通过以下几个方案来实现:

1)采用运放加大功率管来实现(市面上很多批量生产的可调稳压电源都采用这种方案),该方案使用

的材料非常低廉,但线路复杂不适合手工搭板;

2)采用LM723专用电源稳压IC加大功率管来实现,该方案比较成熟,线路也比较简单,但LM723比

较难买,需要到电子市场去找或邮购;

3)采用LM317/338电源稳压IC,该方案线路非常简单,但按其典型应用电路接法,输出最低只能调到

1、25V,要想0V起调必须加一个稳定的负电压基准来修正,一些电子杂志上也有人在LM317输出

端串联2个二极管来降压,达到调“0V”的目的,这就是初学的菜鸟们讨论的问题,大家心知肚明就行了;

4)采用TL431电源稳压IC加大功率管来实现,该方案也具有线路简单的优点,但也同样遇到LM317

不能调“0V”的问题;

5)采用LM2576-ADJ开关型稳压IC来实现,该方案也具有线路简单、效率高等优点,但也同样遇到输

出不能调“0V”的问题与电感线圈比较难加工;

通过一番权衡利弊后,决定采用LM317的方案,刚好手头还有几个闲置的LM317T,“量身”设计的完整电路如图2所示。

(

图2)

主要元气件参数资料:

尽管LM317我们已经非常熟识了,但还就是翻阅一下LM317的PDF 资料比较稳妥,其中几个比较重要的参数如下:

1、 输入与输出端最高压差为:40V(很多人误认为就是输入最高电压为40V);

2、 输入与输出端最小工作压差:3V;

3、 输出电压范围:1、25V-37V 范围内连续可调(其实只要保证前一项条件,其输出范围的上限就是

可以扩展的);

4、 最大输出电流:1.5A(LM317T TO-220封装);

5、 输出最小负载电流:5mA;

6、 基准电压V REF :1、25V;

7、 工作温度范围为:0-70℃;

8、 LM317T TO-220封装引脚排列如图3所示:

(图3)

为了让LM317T输出0V起调,该电路设计时增加了一个由TL431构成的-2、5V基准电源,TL431相信大家也就是非常熟识,它就是三端可调并联型稳压IC,详细资料可参考:安森美的《TL431中文手

册》

。在本列电路应用中,我们比较关心的几个参数如下:

1.参考电压V REF:2、5V ±0、4％(25℃);

2.最大阴极电流范围:-100mA至+150mA;

3.最小阴极电流:0、5mA;

4.最大额定功耗:0、7W (TO-92封装);

5.TL431内部结构与引脚排列如附图4所示;

6.TL431的典型应用电路如图5所示;

(图4)

(图5)

工作原理:

如图2所示,220V市电通过S1与F1连接到变压器的输入端,经过变压后分别输出:18V、8V、10V、3V(其中10V与3V绕组就是自己以手工穿线的方式加绕的)四组电压,为了降低LM317T的功耗提高电源效率,采用了2个继电器的3级换档电路,换档电路如图6所示,电源输出电压V+加在W2的两端,当W2的滑动触片上获得的分压低于U4的V REF(2、5V)电压时,U4的K、A之间只有微弱的维持电流,J1因得不到足够高的工作电压,其常开触点断开,8 V AC绕组通过J1与J2的常闭触点对后级电路供电;当W2的滑动触片上获得的分压高于U4的V REF(2、5V)电压时,U4的阴极电流剧增使J1得到足够工作电压,其常开触点吸合,18 V AC绕组通过J1常开触点与J2的常闭触点对后级电路供电。由W3、J2与U5构成的另一级换档电路工作原理类同(可能有人会说换档电路也可以用运放来实现,当然就是可以的,只就是电路要复杂一点,要就是做产品需要考虑成本我会用运放,但偏

(图6)

偏我就是懒人不喜欢做复杂的事)。经过换档输出依次得到8V AC 、18 V AC 、26 V AC 电压,经过D1-D4整流,C1、C2滤波后对应得到:11、3V 、25、5V 、36、8V 三档电压。由U1、R1、R2、W1组成LM317T 的典型稳压电路,D5、D6构成LM317T 防短路保护电路。其输出电压计算公式为:

V o ≈V REF {1+(W1+R2)/R1}-2、5V

式中减2、5V 就是因为W1的低端没有接V-上,而就是接在由U3(TL431)与R6构成的-2、5V 基准上。变压器3V 绕组经过DB2与C6整流滤波后得到4、2V 左右的直流电压,该电压正端与地相连形成负电压,该电压通过限流电阻R6加在U3上,这里U3(TL431)接成了图5中第一种典型应用电路,故V KA =V REF =-2、5V 基准。图2中Q1、U2A 、R3、R4、R5、W2等构成恒压至恒流自动转换电路,其工作原理如下,W2与R7串联后连接在V-与-2、5V 基准上,W2的滑动触片经过分压后向U2A(LM358)的同相输入端提供一个可设定的基准电压,当电源输出端连接负载后,通过R3对电流进行取样,由R5送至U2A(LM358)的反相输入端,当输出电流↑时,R3上的电压降↑,U2A(LM358)的反相输入端电压↓,当U2A(LM358)反相输入端电压低于U2A(LM358)同相输入端的设定电压时(即电流超出设定值),U2A(LM358)输出高电平通过R4加到Q1的基极上,使Q1的I CE ↑,则流过W1的电流↓W1两端的电压↓,对应LM317T 的输出电压↓,流过负载的电流↓,这时电源由原来的恒压状态转换为恒流状态,并且保持输出电流等于设定电流,调节W2可设定输出的恒定电流值,其最大输出恒定电流计算公式为:

I o MAX ≈{2、5[W2/(W2+R7)]}/R3

在本列的实际应用中,因为变压器功率有限,另LM317T 也没有增加扩流电路,故可设定的最大输出恒定电流为1.6A 左右(若需要增大输出电流请自己修改参数)。

组装调试:

电路设计好了,接下来就要动手用实践来验证我的设计了,先瞧瞧我搜集到的一些部件与工具:

尺寸为:134x106x55mm 铝合金外壳(RMB:25￥

/PCS)

十圈精密电位器套件(RMB:30￥/PCS) 做功放用的接线柱(RMB:2、5￥/PCS)

普通船型电源开关 ?5mm LED 灯座

精制香蕉插头(RMB:2、5￥/PCS) 精制小鳄鱼夹(朋友赠送)

旧黑白电视机用的变压器

(功率30W 左右,矽钢片很薄而且均匀,应该就是文革年代的“古董”

)

本次DIY 作业时所使用的主要工具

元件与工具搜集好了,现在就是考验我动手能力的时候了,瞧我的MINI 电源就是怎样一步一步打造出来的:

步骤1——变压器加工:

因原变压器输出只有8V 与18V 两个绕组,还需要增加一个3V 与10V 绕组,原变压器线圈与铁心之间还有一定的距离,我决定用?0.2mm 的漆包线以穿线的方式绕制,先大概估算一下绕制3V 与10V 绕组所需要的圈数与漆包线长度,一般低频小功率变压器的伏/匝比大约为:0、1V/匝,实践证实了我的估算值,当然您也可以用漆包线先绕几圈加电直接量出伏/匝比,这样更准确。(我已经再三强调了:我就是懒人,所以自然到关键时候就会偷懒。)准备好了漆包线就开始绕制了,刚开始绕3V 绕组的时候,我还感觉今天暖洋洋的太阳一定就是专为我出的,绕10V 绕组的时候才感觉那长长的漆包线穿来穿去怎么也绕不完。(突然回想起妈妈给我织的毛线衣,那毛线比这漆包线长多了,当初总嫌它太粗糙,对它不消一顾,直到今天我才感悟到那就是用爱一针一针织成的精品呀！------)线圈绕好了,再接上市电测量一下电压就是否正确,然后还需要在线圈外面贴上绝缘胶带,以保护好线圈。这样变压器就加工好了,来欣赏一下(图7)。

(图7) 自己加绕的3V 绕组

自己加绕的10V 绕组 绝缘胶带

步骤2——外壳加工:

该电源所使用的铝合金外壳就是从赛格电子市场买的通用外壳,所以要想在面板上安装电位器与接线柱必须自己开孔,先用游标卡尺依次测量出:电位器、接线柱与LED 灯座安装所需要的开孔直径,然后简单的排布一下相应的位置并作好标记。接下来就就是找到对应规格的麻花钻头,开始钻孔加工了,钻好的孔还需要用小刀或整形锉将孔边上毛刺处理干净。加工好的前面板见(图8)

(图8)

后面板也一样需要加工,要开一个多边形的孔,用于安装插座与电源开关。先用游标卡尺依次测量出插座与电源开关的外部尺寸,然后在要加工的后面板上标志出需要开孔的区域,这里还需要注意插座与电源开关安装位置不能与变压器的安装位置相冲突,而且还需要保持美观。加工时,先用电钻在标记好的开孔区钻孔,然后用整形锉细心修整,直到将插座与电源开关安装完成(图9)。

(图9)

步骤3——加工PCB 板:

因为电路比较简单,为了省去做印刷PCB 的繁琐工作,所以我决定用实验板来搭接(我向来对自己的手工搭板技术充满信心,同时也将我的懒惰精神进行到底)。找了一片100x150mm 的实验板,该板刚好能插入铝合金外壳的安装槽内,只需将长出的部分剪去。另外为了安装变压器方便,我将PCB 板右下角剪去一个空角,利用PCB 板与变压器安装时相互抵触,免去固定变压器的烦恼。接下来的工作就是找元件、布板与搭焊作业了,在此就不一一细述了,搭焊好的PCB 板见(图10)。

电位器安装孔 LED 灯座安装孔 接线柱安装孔 电位器安装孔 接线柱安装孔 电源开关 AC 插座

(图10)

步骤4——焊接变压器与后面板:

PCB板搭焊好了,现在要将PCB板与变压器、电源开关、插座等连接起来。先找来线材与热缩套管,将线材剪取合适的长度,套上热缩套管按电路依次焊接好,并用烙铁加热热缩套管让套管缩紧,加工好如(图11)。

(图11)

步骤5——焊接前面板:

面板上需要安装接线柱与电位器等部件。先依次将接线柱、电位器与LED灯座锁紧到前面板的对应孔位上,再用导线依次将这些部件按电路连接到PCB板上。电源指示灯原来准备用一只高亮蓝光LED,配合那冷冷的铝合金外壳漂亮极了。只可惜那仅有的一颗蓝光LED被我焊接几次(因为焊点没有达到专业的饱满程度,所以重焊了)后坏掉了,至今我还没搞清楚:它到底就是被烫坏了还就是被静电打坏了。最后不得不换了一只紫光LED代替,效果也还不错啦,还可以用来验钞呢。前面板就加工好见(图12)。

(图12)

步骤5——调试组装:

各部件焊接好了,先检查了一下元件,并且核对了电路图,没问题后开始通电调试,这里的调试非常简单,先调节W1使V+输出电压为7V,再来回细调W2使J1刚好够吸合;用同样的方法,通过调节W1、W3使V+输出电压为20V时J2刚好够吸合,再确认一下输出电压、电流范围能不能达到原设计的指标,这样调试工作就完成了。再把PCB板与变压器等,小心的装入铝合金外壳内,因为LM317T要利用电源外壳来散热,所以在LM317T与外壳之间要垫上云母片(云母片就是从外热式电烙铁芯上截取的),而且均匀的涂上导热硅脂来导热(图13)。最后将外壳组合上,锁好螺丝,并且装调好电位器旋钮。一台漂亮的“MINI”型直流电源组就装好(图14)。

(图13)

(图14) 步骤6——附件加工:

好马要配好鞍,接下来还要给电源制作一条漂亮的输出连接线见(图15),线材我选择音箱连接专用线,这种线材阻抗比较低,而且柔软,颜色也好区分。整条线含端子长度为:75cm,个人感觉这种长度使用起来非常舒适,还有一条长的备用线含端子长度为:120cm 。

(图15)

步骤7——老化测试:

电源组装好后,先用它对锂电池组进行充电,该电池组就是从COMPAQ N610c 笔记本上拆下来的旧电池组,由于内部电芯残留电量不相等,所以采用了:(恒流1A 、定压4、2V)对单个电芯依次充电的方案。整个充电过程,电源连续工作了90多小时。电源仅在每节电池充电的前1-2小时内有轻微的温升(因为没有温度测量工具,所以不能给出具体的温度值),充电结束时外壳就是冷的。对比了输出电压跟原来设定值仅相差0、01V ,应该还可以接受。

至此整个电源DIY 过程宣告圆满结束,该电源还有很多可以改善的地方,比如增大输出功率、增加显示或指示功能等,各位需要参考与仿制的朋友可根据自己的见解与需要自行修改完善。最后再来一“秀”幅电源工作中的照片(图16)。

(图15)电源给9V叠层电池充电中