0-40V調整可能電源回路–構築チュートリアル

この多目的汎用電源は、0〜20ボルトで最大2.5アンペア、または0〜40ボルトで最大1.25アンペアを生成します。電流制限は、どちらの出力オプションでも全範囲で可変です。

TruptiPatil著

電源の主な仕様：

理想的な電源は、広い範囲で可変であり、線間電圧や負荷の不均衡に関係なく、設定された電圧にとどまる電圧を提供する必要があります。

また、電源は出力全体の短絡から安全であり、負荷電流を制限して、障害が発生した状況によってデバイスが損傷しないようにする必要があります。

この特定のプロジェクトでは、最大18ボルト（低電流で最大20ボルト）で2.5アンペアを供給するように設計された電源について説明します。同時に、いくつかの基本的な変更により、1.25アンペアで最大40ボルトの電源が供給されます。

供給電圧はゼロから利用可能な最高値の間で調整可能であり、電流制限も規定の全範囲で調整できます。電源の動作モードは、2つのLEDによって示されます。

電圧制御ノブの近くにあるものは、ユニットが通常の電圧調整設定にあるかどうかを示し、電流制限ノブに近いものは、ユニットが電流制限モードにあるかどうかを示します。さらに、大きなメーターは、スイッチによって選択された電流または電圧出力を示します。

デザインの特徴

予備設計段階では、さまざまなタイプのレギュレーターとそれぞれの長所と短所を調査して、費用効果の高い最高の機能を提供するレギュレーターを選択できるようにしました。具体的な戦略とその特徴は次のようにまとめることができます。

シャントレギュレーター：

このレイアウトは、主に10〜_15ワット程度の低電源で機能します。優れたレギュレーションを提供し、内部で短絡に耐性がありますが、無負荷状態で処理するために装備されている電力の全量を消費します。

シリーズレギュレータ。

このレギュレーターは、約50ワットの中電源に適合します。

熱放散は、特に出力電圧が低く非常に高い電流で問題になる可能性がありますが、より高い電源を対象としている可能性があります。

レギュレーションは素晴らしく、一般的に出力ノイズはわずかで、コストは比較的最小限です。

SRCレギュレーター：

中電力から高電力の目的に理想的なこのレギュレータは、出力リップルと応答時間が直列レギュレータのものほど良くはありませんが、低消費電力を提供します。

SCRプリレギュレーターおよびシリーズレギュレーター。

SCRおよびシリーズレギュレータの最高の機能は、中〜高電力アプリケーションに採用されているこの種の電源回路と組み合わされています。 SCRプリレギュレーターは、適切なシリーズレギュレーターを伴って、推奨よりも約5ボルト大きい大まかに調整された電源を確保するために使用されます。

これにより、シリーズレギュレータの電力損失が減少します。ただし、構築するのははるかにコストがかかります。

スイッチングレギュレータ。

中電力から高電力のアプリケーションにも適用されるこの手法は、手頃な価格のレギュレーションを提供し、レギュレータの消費電力を低く抑えますが、構築に費用がかかり、出力に高周波リップルがあります。

スイッチモード電源。

すべての中で最も成功した技術であるこのレギュレーターは、20kHz以上でインバーターを動作させるように主電源を整流します。電圧を下げたり上げたりするために、低コストのフェライト変圧器が一般的に使用され、そこからの出力は、好ましいDC出力を得るために整流およびフィルタリングされます。

ラインレギュレーションは非常に優れていますが、比較的狭い範囲にしか適応できないため、可変ソースとして便利に適用できないという欠点があります。

私たち自身のデザイン

私たちの最初の設計原理は、5〜10アンペアの出力で約20ボルトの電源を使用することでした。
とはいえ、すぐに利用できるレギュレータの種類とコストを考慮して、電流を約2.5アンペアに制限することを選択しました。
このアプローチは、最も費用効果の高いモデルであるシリーズレギュレータを採用するのに役立ちました。調整可能な電流制限機能とともに、適切な調整が必要でした。さらに、電源が実質的にゼロボルトまで十分に機能することが選択されました。

最終的な認定を取得するには、ゼロボルトで入力を使用して動作する可能性のある負の電源レールまたはコンパレータが不可欠です。負の電源レールを使用するのとは対照的に、コンパレータとしてCA3l30ICオペアンプを使用することにしました。

CA3l 30には単一の電源（最大15ボルト）が必要であり、最初は抵抗とl2ボルトのツェナーを使用して12ボルトの電源を取得しました。次に、このツェナー電源からもう1つの抵抗と5ボルトのツェナーによって基準電圧が生成されました。

これは基準電圧の適切な調整を示すと考えられていましたが、実際には、整流器からの出力が21ボルトから29ボルトに変化し、12ボルトのツェナーで発生したリップルと電圧の切り替えの一部が終了したことが確認されました。 5ボルトのツェナーリファレンスにミラーリングされています。

このため、12ボルトのツェナーは問題を解決するLCレギュレータに置き換えられました。

すべての直列レギュレータでは、レイアウトの特性から直列出力トランジスタを使用すると、特に低出力電圧と高電流で十分な電力を消費するはずです。この要因にとって、立派なヒートシンクは構造の重要な部分です。

産業用ヒートシンクは非常に高価であり、取り付けが難しいことがよくあります。その結果、私たちは独自のヒートシンクを作成しました。これは、手頃な価格であるだけでなく、私たちが考えていた商用バリエーションよりもはるかに優れた機能を備えていました。

それにもかかわらず、全負荷では、ヒートシンクは変圧器と同様に暖かく動作し続けます。また、大電流、低電圧の状況では、トランジスタが非常に熱くなりすぎて触れることができなくなる可能性があります。
これらの状況でのトランジスタは選択された温度範囲内で機能し続けるため、これはかなり正常です。

極端に規制された供給と合わせて、安定性は困難になる可能性があります。この動機のために、動作の電圧調整モード、コンデンサC5およびC7が含まれており、高周波でのループゲインを最小限に抑え、電源の発振を回避します。

C5の値は、安定性と反応期間の間を理想的に回避するために選択されています。 C5の値が低すぎると、反応速度が速くなります。

ただし、安定性が失われる可能性が高くなります。過度の反応時間が過度に増加した場合。電流制限モードでは、C4によって同じ機能が完了し、電圧シナリオの場合とまったく同じ意見が実装されます。

電源には比較的大電流を出力する能力があるため、出力端子への配線で電圧降下が発生する可能性があります。これは、独立したリード線のセットを介して出力端子の電圧を検出することで補償されます。

電源は主に2.5アンペアで20ボルトで作られていましたが、まったく同じ電源で1.25アンペアで40ボルトを供給することに慣れている可能性があり、これは多くのエンドユーザーにとってより適切である可能性があります。

これは、整流器の設定を変更し、いくつかのコンポーネントを変更することで実現できます。供給を切り替え可能にするためにいくつかのアイデアが渡されましたが、追加の複雑さと価格は、それが有利であると無視される方法でした。

したがって、基本的には需要に合った構成を選択し、必要に応じて供給を構築する必要があります。

アクセス可能な最大安定化電圧は、レギュレータへの入力電圧が低すぎる（18ボルトと2.5アンペアを超える）か、R14 / R15の比率と基準電圧の値によって制限される可能性があります。 （出力= R14 + R15 / R15）V ref

ZD1の許容誤差のため、完全な20ボルト（または40ボルト）にはおそらくアクセスできません。状況のように識別された場合、R14を次の好ましい値に増やす必要があります。

電圧と電流の制御には、手頃な価格であるという事実から、シングルターンポテンショメータが提供されています。それでも、電圧または電流制御の正確な設定が必要な場合は、代わりに10回転ポテンショメータを適用する必要があります。

使い方

240ボルトの主電源は変圧器を介して40Vacに降圧され、どの電源が開発されたかに基づいて、25または5Vdcに整流されます。

実際の電圧は無負荷時の29ボルト（58ボルト）と全負荷時の21ボルト（42ボルト）の間で異なるため、この電圧は実際には中程度です。

どちらの状況でも同じフィルタコンデンサが使用されます。これらは、25ボルトのバリアント（5000uF）の場合は並列に、50ボルトのモデル（1250uF）の場合は直列に取り付けられます。 50ボルトモデルでは、変圧器のセンタータップがコンデンサのセンタータップに結合されるため、正確な電圧が保証されます。コンデンサ間で共有します。このセットアップはさらに、レギュレーターlCに25ボルトの電源を提供します。

電圧レギュレータは本質的に直列タイプであり、負荷全体のこの電圧が所定の値で一定に保たれるような方法で直列トランジスタのインピーダンスが制御されます。

トランジスタQ4は、特に低出力電圧と高電流で大量の電力を消費するため、製品の裏側のヒートシンクに取り付けられています。

トランジスタQ3はQ4に電流ゲインをもたらし、コラボレーションは高出力、高ゲインのPNPトランジスタのように機能します。 25ボルトは集積回路レギュレータICIを介して12ボルトに減少します。この電圧は、一般的にCA3130 lCの供給電圧として使用され、さらにツェナーダイオードZDIによって5.1ボルトに下げられ、基準電圧として使用されます。

電圧調整は、RV3（O〜5.1 'ボルト）によって決定された電圧をR14とR15で割った出力電圧で調べるlC3によって実行されます。分周器は、4.2（0〜21ボルト）または8（0〜40ボルト）の分周を提供します。

一方、ハイエンドでは、取得可能な電圧は、フィルタコンデンサを通過する電圧が出力電圧に到達し、さらに100 Hzのリップルが発生する可能性があるため、レギュレータが高電流で制御を失うことに成功するポイントに制限されます。 IC3の出力はトランジスタQ2を調整し、トランジスタQ2は、ラインと負荷の不一致に関係なく、出力電圧が一定に保たれるように出力トランジスタを制御します。 5.1ボルトのリファレンスはQ2からQ1のエミッターに提供されます。

このトランジスタは、実際には5.1ボルトラインに負荷がかかるのを防ぐためのバッファステージです。電流制御は、負荷電流によってR7の周囲に生成された電圧を使用して、-RV1によって決定された電圧（0〜0.55ボルト）を分析するIC2によって実行されます。

たとえば、RV1に0.25ボルトが定義されていて、電源から流れる電流が小さい場合、IC2の出力は12ボルト近くになります。これにより、Q1のエミッターが5.7ボルトであるため、LED2が点灯します。

したがって、このLEDは、この電源が電圧レギュレータモード内で機能していることを示します。ただし、駆動される電流がR7周辺の電圧が0.25ボルトを少し超えるように上昇している場合（この図では）、IC2の出力が低下する可能性があります。 IC2の出力が約4ボルトを下回ると、Q2はLED3とD5を介してスイッチをオフにし始めます。この結果、R7全体の電圧がそれ以上サージできないように、出力電圧を最小化することになります。

これが行われている間、電圧コンパレータIC3は問題に対抗しようとし、その出力は12ボルトに急上昇します。次に、IC2は補うためにより多くの電流を消費し、この電流によってLED 3が発光します。これは、電源が電流制限モードで動作していることを意味します。

正確なレギュレーションを確実にするために、電圧検出端子は、負荷電流を輸送する端子とは独立して出力点に供給されます。メーターには1ミリアンペアの動きが含まれ、フロントパネルのスイッチSV2から選択された出力電圧（出力端子に沿ってすぐに）または電流（「R7周辺の電圧を測定することによって）」を読み取ります。

40V電源回路のPCBレイアウト

建設

この0〜40Vの可変電源回路に推奨されるPCBレイアウトを利用する必要があります。これは、構造が非常に単純化されているためです。

コンポーネントは、ダイオード、トランジスタ、LC、および電解質の極性が適切であることを確認するために、ボード上にまとめる必要があります。 BD140（Q3）は、金属面を使用する側がlClの方向を向くように設置する必要があります。写真に示すように、小さなヒートシンクをトランジスタにボルトで固定する必要があります。

詳細な金属細工を使用する場合は、組み立ての配置を追求する必要があります。

a）フロントパネルをフレームワークの前面に結合し、メーターを取り付けてボルトで固定します。

b）出力端子、ポテンショメータ、メータースイッチをフロントパネルに固定します。

c）LEDのカソード（私たちが適用した）は、LEDがフロントパネルに取り付けられている間は気付かれないボディ内のノッチによって指定されていました。

これがあなたの状況に聞こえる場合は、カソード端子を少し小さくしてそれらを認識してから、LEDを所定の位置に取り付けます。

d）変圧器の240ボルト端子に長さのワイヤー（長さ約180 mm）をはんだ付けし、テープを使用して端子を絶縁した後、変圧器をフレームワーク内の所定の位置に取り付けます。

f）メインコードとコードクリップを取り付けます。電源スイッチを配線し、端子を絶縁してから、フロントパネルにスイッチを取り付けます。

g）ヒートシンクを固定し、2本のボルトを使用してフレームワークの背面にねじ込みます。その後、絶縁ワッシャーとシリコングリースを使用してパワートランジスタを取り付けます。

h）組み立てたPCBを10mmのスペーサーを使用してフレームワークに取り付けます。

i）変圧器の二次側、整流ダイオード、およびフィルターコンデンサーを配線します。ダイオードのリード線は十分に剛性があり、追加のサポートは必要ありません。

j）ボードとスイッチを含む配線は、フロントパネル図とコンポーネントオーバーレイ図の文字が一致するフックアップポイントによって接続される可能性があります。必要な唯一の確立は、メーターを校正することです。純正の電圧計を電源の出力制御に接続して、外部メーターが1〜5ボルト（または代替セットアップでは30ボルト）を解読するようにします。

提案された40V2アンペア電源回路の部品リスト