0-40V 가변 전원 공급 회로 – 구성 자습서

이 다목적 범용 전원은 0 ~ 20V에서 2.5A, 0 ~ 40V에서 최대 1.25A를 생성합니다. 전류 제한은 두 출력 옵션의 전체 범위 내에서 가변적입니다.

작성자 : Trupti Patil

전원 공급 장치 주요 사양 :

이상적인 전원 공급 장치는 넓은 범위 내에서 가변적이고 라인 전압 또는 부하 불균형에 관계없이 설정된 전압을 유지하는 전압을 제공해야합니다.

전원은 또한 출력 전체에 걸쳐 단락으로부터 안전해야하며 장애 상황으로 인해 장치가 손상되지 않도록 부하 전류를 제한 할 수 있어야합니다.

이 특정 프로젝트는 최대 18V (낮은 전류에서 최대 20V)에서 2.5A를 제공하도록 설계된 전원 공급 장치를 설명합니다. 동시에 몇 가지 기본 수정을 통해 1.25 암페어에서 40V까지 공급할 수 있습니다.

공급 전압은 0에서 사용 가능한 최고 값 사이에서 조정 가능하며 전류 제한은 규정 된 전체 범위에서 조정할 수도 있습니다. 전원 공급 장치의 작동 모드는 두 개의 LED로 표시됩니다.

전압 제어 노브 근처에있는 것은 장치가 정상 전압 조정 설정에 있는지 표시하고 전류 제한 노브 근처에있는 것은 장치가 전류 제한 모드에 있는지를 보여줍니다. 또한 대형 미터는 스위치에 의해 선택된 전류 또는 전압 출력을 보여줍니다.

디자인 특징

예비 설계 단계에서 우리는 최고의 비용 효율적인 기능을 제공하는 것을 선택할 수 있도록 다양한 유형의 조절기와 각 조절기의 긍정적 인 측면과 단점을 조사했습니다. 구체적인 전략과 그 특징은 다음과 같이 요약 할 수 있습니다.

션트 레귤레이터 :

이 레이아웃은 주로 약 10 ~ 15 와트의 저전력 공급 장치에서 작동합니다. 뛰어난 조절 기능을 제공하고 내부적으로 단락에 대한 내성이 있지만 무부하 조건에서 처리 할 수있는 전체 전력을 소모합니다.

시리즈 레귤레이터.

이 레귤레이터는 약 50 와트의 중간 전력 공급 장치에 적합합니다.

열 방출은 특히 낮은 출력 전압과 함께 매우 높은 전류에서 문제가 될 수 있지만 더 높은 전원 공급 장치를위한 것일 수 있으며이를위한 것입니다.

일반적으로 약간의 출력 잡음이 있고 비용이 비교적 적습니다.

SRC 레귤레이터 :

중 / 고전력 용도에 이상적인이 레귤레이터는 출력 리플과 응답 시간이 직렬 레귤레이터의 것만 큼 좋지는 않지만 낮은 전력 손실을 제공합니다.

SCR 사전 조정기 및 직렬 조정기.

SCR 및 시리즈 레귤레이터의 가장 좋은 기능은 중전 력 및 고전력 애플리케이션에 사용되는 이러한 종류의 전원 공급 장치 회로와 결합됩니다. SCR 프리 레귤레이터는 적절한 직렬 레귤레이터와 함께 권장보다 약 5V 더 큰 대략적으로 조정 된 전원을 확보하기 위해 사용됩니다.

이것은 직렬 레귤레이터의 전력 손실을 줄입니다. 그러나 건설하는 데 훨씬 더 많은 비용이 듭니다.

스위칭 레귤레이터.

또한 중전 력 및 고전력 애플리케이션에 적용되는이 기술은 저렴한 조정을 제공하고 조정기의 낮은 전력 손실에도 불구하고 구성 비용이 많이 들고 출력에 고주파 리플을 보유합니다.

스위치 모드 전원 공급 장치.

가장 성공적인 기술인이 레귤레이터는 주전원을 정류하여 인버터를 20kHz 이상에서 작동합니다. 전압을 낮추거나 높이기 위해 저비용 페라이트 변압기가 일반적으로 사용되며, 출력은 정류 및 필터링되어 선호되는 DC 출력을 얻습니다.

라인 레귤레이션은 매우 좋지만 상대적으로 작은 범위에서 적응할 수 있기 때문에 가변 소스로 편리하게 적용 할 수 없다는 단점이 있습니다.

우리만의 디자인

우리의 초기 설계 원칙은 5 ~ 10A 출력에서 ​​약 20V의 전원 공급 장치였습니다.
즉, 쉽게 사용할 수있는 다양한 레귤레이터와 비용을 고려할 때 전류를 약 2.5A로 제한하도록 선택했습니다.
이 접근 방식은 가장 비용 효율적인 모델 인 직렬 레귤레이터를 사용하는 데 도움이되었습니다. 조정 가능한 전류 제한 기능과 함께 좋은 조절이 필요했으며, 추가로 전원 공급 장치가 거의 0V까지 작동 할 수 있도록 선택되었습니다.

최종 인증을 얻으려면 0V에서 입력을 사용하여 실행할 수있는 음의 공급 레일 또는 비교기가 필수적입니다. 네거티브 서플라이 레일을 사용하는 것과는 반대로 CA3l30 IC 연산 증폭기를 비교기로 사용하기로 결정했습니다.

CA3l 30은 단일 전원 (최대 15V)이 필요하며 처음에는 12V 전원을 얻기 위해 저항과 l 2V 제너를 사용했습니다. 그런 다음 하나 이상의 저항과 5V 제너에 의해이 제너 전원에서 기준 전압이 생성되었습니다.

이것이 기준 전압에 대한 적절한 조절을 제시했을 것으로 믿어졌지만 실제로 정류기의 출력이 21V에서 29V로 변경되는 것으로 확인되었으며 결과적으로 12V 제너에서 발생한 리플 및 전압 전환이 종료되었습니다. 5V 제너 기준으로 미러링됩니다.

이러한 이유로 12 볼트 제너는 문제를 해결 한 lC 레귤레이터로 대체되었습니다.

모든 직렬 레귤레이터에서 직렬 출력 트랜지스터는 레이아웃의 특성에서 특히 낮은 출력 전압과 높은 전류에서 많은 전력을 소비해야합니다. 이 요소에 대해 존경할만한 방열판은 구조의 중요한 부분입니다.

산업용 방열판은 엄청나게 비싸고 부착하기가 자주 어렵습니다. 결과적으로 우리는 더 저렴할뿐만 아니라 우리가 생각했던 상업적 변형보다 훨씬 더 잘 작동하는 자체 방열판을 만들었습니다.

그럼에도 불구하고 최대 부하에서 히트 싱크는 변압기처럼 계속 따뜻하게 작동합니다. 고전류 저전압 환경에서 트랜지스터는 너무 지글 지글하여 만질 수 없습니다.
이러한 상황에서 트랜지스터가 선택한 온도 범위 내에서 작동하기 때문에 이것은 상당히 정상입니다.

극도로 규제되는 공급과 함께 안정은 어려울 수 있습니다. 이 동기를 위해 전압 조정 모드 작동, 커패시터 C5 및 C7이 포함되어 고주파수 루프 이득을 최소화하고 따라서 공급이 발진하는 것을 방지합니다.

C5의 값은 안정성과 반응 기간 사이에 이상적으로 간과하기 위해 선택되었습니다. C5의 값이 너무 낮 으면 반응 속도가 증가합니다.

그러나 안정성이 부족할 가능성이 더 큽니다. 과도한 반응 시간이 과도하게 증가하는 경우. 전류 제한 모드에서 동일한 기능이 C4에 의해 완료되고 전압 시나리오와 동일한 의견이 구현됩니다.

파워 서플라이는 상대적으로 높은 전류를 출력 할 수 있기 때문에 의심 할 여지없이 출력 단자에 대한 배선에서 약간의 전압 강하가 발생할 수 있으며 이는 독립적 인 리드 세트를 통해 출력 단자의 전압을 감지하여 보상됩니다.

공급은 주로 2.5A에서 20V로 이루어졌지만, 똑같은 공급이 1.25A에서 40V를 공급하는 데 익숙해 져 많은 최종 사용자에게 더 적합 할 수 있도록 권장되었습니다.

이것은 정류기의 설정을 수정하고 몇 가지 구성 요소를 변경하여 수행 할 수 있습니다. 전환 가능한 공급 장치를 만드는 데 일부 아이디어가 전달되었지만 추가 복잡성과 가격이 유리한 것으로 무시되는 방식이었습니다.

따라서 기본적으로 수요에 맞는 구성을 선택하고 필요에 따라 공급을 구축해야합니다.

액세스 가능한 최대 조정 전압은 조정기에 대한 입력 전압이 너무 낮아 지거나 (18V 및 2.5A 이상) R14 / R15 비율과 기준 전압 값에 의해 제한 될 수 있습니다. (출력 = R14 + R15 / R15) V ref

ZD1의 허용 오차로 인해 전체 20V (또는 40V)에 액세스 할 수 없습니다. 상황과 같이 식별되는 경우 R14는 후속 선호 값으로 증가되어야합니다.

단일 회전 전위차계는 저렴하다는 사실로 인해 전압 및 전류 제어를 위해 제공되었습니다. 그럼에도 불구하고 전압 또는 전류 제어의 정확한 설정이 필요한 경우 10 회전 전위차계를 대체로 적용해야합니다.

작동 원리

240V 주전원은 변압기를 통해 40Vac로 강압되며 공급이 개발 된 것을 기반으로 25 또는 5Vdc로 정류됩니다.

이 전압은 실제 전압이 무부하시 29 볼트 (58 볼트)에서 전체 부하시 21 볼트 (42 볼트) 사이에서 다르기 때문에 실제로 보통입니다.

두 상황 모두에서 동일한 필터 커패시터가 사용됩니다. 이들은 25V 변형 (5000uF)의 경우 병렬로 연결되고 50V 모델 (1250uF) 용으로 직렬로 연결됩니다. 50V 모델에서 변압기의 중앙 탭은 커패시터의 중앙 탭에 연결되어 정확한 전압을 보장합니다. 커패시터 사이에 공유. 이 설정은 레귤레이터 lC에 25V 공급을 추가로 제공합니다.

전압 조정기는 본질적으로 직렬 트랜지스터의 임피던스가 부하 전체에 걸쳐이 전압이 미리 결정된 값으로 일정하게 유지되는 방식으로 제어되는 직렬 유형입니다.

트랜지스터 Q4는 특히 낮은 출력 전압과 높은 전류에서 많은 전력을 소비하므로 제품 뒷면의 히트 싱크에 설치됩니다.

트랜지스터 Q3는 Q4에 전류 이득을 가져와 고전력, 고 이득, PNP 트랜지스터처럼 협업을 수행합니다. 25V는 통합 회로 레귤레이터 ICI를 통해 12V로 감소됩니다. 이 전압은 일반적으로 CA3130 IC의 공급 전압으로 사용되며 기준 전압으로 사용하기 위해 제너 다이오드 ZDI에 의해 추가로 5.1V로 낮아집니다.

전압 조정은 RV3 (O ~ 5.1 '볼트)에 의해 결정된 전압을 R14 및 R15로 나눈 출력 전압으로 검사하는 lC3에 의해 수행됩니다. 디바이더는 4.2 (O ~ 21V) 또는 8 (0 ~ 40V)의 구간을 제공합니다.

반면에 하이 엔드에서 얻을 수있는 전압은 필터 커패시터를 통과하는 전압이 출력 전압에 100Hz 리플을 더한 값에 도달 할 때 레귤레이터가 고전류에서 제어를 잃는 지점으로 제한됩니다. IC3의 출력은 라인 및 부하 불일치에 관계없이 출력 전압이 계속 일관되게 유지되는 방식으로 출력 트랜지스터를 제어하는 ​​트랜지스터 Q2를 조절합니다. 5.1V 기준은 Q2에서 Q1까지의 이미 터에 제공됩니다.

이 트랜지스터는 실제로 5.1V 라인이로드되는 것을 막는 버퍼 단계입니다. 전류 제어는 부하 전류에 의해 R7 주변에서 생성 된 전압을 사용하여 -RV1 (0 ~ 0.55V)에 의해 결정된 전압을 분석하는 IC2에 의해 수행됩니다.

RV1에 0.25 볼트가 정의되어 있고 전원에서 가져온 전류가 작다면 IC2의 출력은 거의 12 볼트가 될 것입니다. Q1의 이미 터가 5.7V이기 때문에 LED 2가 켜집니다.

결과적으로이 LED는이 전원이 전압 조정기 모드 내에서 작동하고 있음을 나타냅니다. 그러나 구동 전류가 R7 주변의 전압이 0.25 볼트 (그림에서)를 약간 넘도록 상승하면 IC2의 출력이 떨어질 수 있습니다. IC2의 출력이 약 4 볼트 아래로 떨어지면 Q2가 LED 3과 D5를 통해 꺼지기 시작합니다. 그 결과 R7 전체의 전압이 더 이상 서지 할 수 없도록 출력 전압을 최소화 할 수 있습니다.

이것이 발생하는 동안 전압 비교기 IC3는 문제에 대응하려고 시도하고 출력은 12V까지 치솟습니다. 그런 다음 IC2는 보충을 위해 더 많은 전류를 소비하고이 전류는 LED 3을 발광하여 공급 장치가 전류 제한 모드에서 작동하고 있음을 의미합니다.

정확한 조정을 보장하기 위해 전압 감지 단자는 부하 전류를 전달하는 단자와 독립적으로 출력 지점으로 전달됩니다. 미터는 1 밀리 암페어 움직임을 포함하고 전면 패널 스위치 SV2에서 선택한대로 출력 전압 (출력 단자를 따라 즉시) 또는 전류 ( 'R7 주변 전압 측정)를 읽습니다.

40V 전원 공급 회로의 PCB 레이아웃

구성

이 0-40V 가변 전원 공급 장치 회로에 대해 제안 된 PCB 레이아웃은 구조가 매우 단순화되기 때문에 활용되어야합니다.

다이오드, 트랜지스터, LC 및 전해의 극성이 적절한 지 확인하기 위해 부품을 보드에 함께 배치해야합니다. BDl40 (Q3)은 금속 표면을 사용하는면이 lCl 방향을 향하도록 설치해야합니다. 그림과 같이 작은 히트 싱크를 트랜지스터에 볼트로 고정해야합니다.

세부적인 금속 제품이 사용되는 경우 조립 배치를 추구해야합니다.

a) 전면 패널을 framework의 전면에 결합하고 미터를 장착하여 서로 볼트로 고정합니다.

b) 출력 단자, 전위차계 및 미터 스위치를 전면 패널에 고정합니다.

c) LED (우리가 적용한)의 음극은 LED가 전면 패널에 장착되어있는 동안 눈에 띄지 않는 본체 내부의 노치로 지정되었습니다.

이것이 당신의 상황처럼 들리면 음극 단자를 약간 줄여서 인식 한 다음 LED를 제자리에 설치하십시오.

d) 변압기의 240 볼트 단자에 와이어 길이 (약 180mm 길이)를 납땜하고 테이프를 사용하여 단자를 절연 한 후 변압기를 프레임 워크 내부에 부착합니다.

f) 전원 코드와 코드 클립을 장착합니다. 전원 스위치를 배선하고 단자를 절연 한 다음 전면 패널에 스위치를 부착합니다.

g) 히트 싱크를 고정하고 몇 개의 볼트를 사용하여 프레임 워크 뒷면에 나사로 고정합니다. 그 후 절연 와셔와 실리콘 그리스를 사용하여 파워 트랜지스터를 설치합니다.

h) 10mm 스페이서를 사용하여 프레임 워크에 조립 된 PCB를 설치합니다.

i) 변압기 2 차, 정류기 다이오드 및 필터 커패시터를 배선합니다. 다이오드 리드는 추가 지원을 원하지 않을만큼 단단합니다.

j) 보드와 스위치를 포함하는 배선은 이제 전면 패널 다이어그램과 구성 요소 오버레이 다이어그램에서 일치하는 문자가있는 연결 지점으로 들어올 수 있습니다. 필요한 유일한 설정은 미터를 보정하는 것입니다. 전원 공급 장치의 출력 제어에 정품 전압계를 연결하여 외부 미터가 15V (또는 대체 설정에서 30V)를 해독하도록합니다.

제안 된 40V 2A 전원 공급 회로의 부품 목록