Alimentatore USB a tensione variabile: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Ho avuto un'idea per un alimentatore variabile alimentato tramite USB da un po' di tempo. Quando l'ho progettato, l'ho reso un po' più versatile consentendo non solo l'ingresso USB, ma qualsiasi cosa da 3 VDC a 8 VDC tramite una presa USB o tramite jack a banana. L'uscita utilizza il tipo di jack che vedresti in una verruca a muro e due jack a banana. Se si alimentano 5 Volt, è possibile variare l'uscita da 1,3 Volt a 20 Volt leggermente caricati con tensioni inferiori fino a 200 mA. La parte anteriore presenta un display digitale che visualizza i volt e la corrente che vanno al carico. Nella foto sopra, sto fornendo un mini oscilloscopio con 9 volt a 120 mA dall'alimentazione USB da 5 volt da un terminale USB per laptop.

Forniture:

Parti

(1) Resistenza da 240 ohm, 1/4 watt

(1) Resistenza da 67 k, 1/4 watt

(2) Resistori da 4,7 k 1/4 watt

(3) Resistenze da 1 k, 1/4 watt

(3) transistor 2N3904

(1) Mosfet IRF520 o equivalente

(2) diodi di commutazione 1N914

(1) Diodo 1N4007

(2) Condensatori ceramici.01 uF (lo schema dice 8 nF o.008 uF ma.01 uF è più facile da ottenere)

(2) Condensatori elettrolitici da 10 uF, 50 volt

(1) Condensatore elettrolitico da 470 uF 50 volt

(1) Induttore da 56 uH (può essere avvolto su un piccolo toroide se lo si desidera)

(1) pot di trim da 100k

(1) Potenziometro 5k 1/2 watt, conicità lineare

(1) Chip IC regolatore di tensione LM317 IC

(4) jack banana (maschio)

(1) presa USB di dimensioni standard (maschio)

(1) modulo voltmetro amperometro digitale

(1) Alloggiamento

(1) Perf o scheda di prototipazione

(1) manopola nera con serraggio a vite

Guaina termorestringente

Vari colori del cavo di collegamento

Connettori a forcella (varie dimensioni)

Dissipatore di calore e composto di silicio per LM317

Utensili

Saldatore, Saldatore, Colla a caldo, Trapano con punte, cacciaviti assortiti, pinzette di vario tipo, multimetro e oscilloscopio

Passaggio 1: ottenere le parti

Ho usato intenzionalmente parti facili da trovare e che possono essere recuperate da schede elettroniche di scarto. L'IC LM317 è molto comune e i transistor 2N3904 sono di uso generale e possono essere sostituiti di molti tipi diversi. Anche il Mosfet è molto comune e altri tipi possono essere utilizzati come sostituto purché il sostituto sia un Mosfet a canale N e abbia valutazioni simili. L'induttore non è critico e possono essere utilizzati molti nell'intervallo da 50 a 200 nH. A questo scopo, li recupero dalle schede driver delle lampadine CFL esaurite. È possibile utilizzare qualsiasi tipo di box di progetto. Avevo questo a portata di mano, ma uno nero più economico è perfettamente adatto. Per quanto riguarda l'utilizzo della scheda perf, è una mia scelta personale per la facilità con cui è possibile apportare modifiche.

Passaggio 2: teoria dietro il circuito

Le foto della forma d'onda sopra mostrano la progressione della forma d'onda. Il primo mostra la forma d'onda all'uscita del multivibratore astabile nella parte superiore del diodo 1N914 di destra. Il secondo mostra la forma d'onda al gate dell'IRF520 e l'ultimo mostra la forma d'onda alla sorgente dell'IRF520.

Il circuito utilizza un multivibratore stabile a due transistor che funziona a 18 kHz. L'uscita dell'onda quadra è presa dalla parte superiore di uno dei due diodi 1N914. I transistor sono comuni 2N3904. L'onda quadra a bassa tensione è amplificata da un altro transistor 2N3904 che è polarizzato in classe C. Il transistor amplifica l'onda quadra in ingresso di un fattore di circa 10 dove passa attraverso un condensatore elettrolitico e un potenziometro da 100k prima di essere applicato al gate di un Mosfet IRF520. Il Mosfet è cablato come un chopper step-up con il terminale sorgente con un'induttanza da 56 uH che ritorna all'alimentazione a 5 volt. Quando il Mosfet viene acceso e poi bruscamente spento, si forma il campo magnetico nell'induttore che poi collassa producendo un EMF posteriore. Questa tensione EMF posteriore può fluire attraverso il diodo 1N4007 ed è in serie con la tensione sorgente. Questo si carica fino all'aggiunta delle due tensioni attraverso l'elettrolitico da 470 uF Davanti al condensatore c'è un chip regolatore di tensione LM317 configurato come un alimentatore regolabile che viene regolato dal potenziometro da 5k. La tensione a vuoto è regolabile tra 1,3 volt e 20 volt. Un voltmetro digitale e un amperometro sono collegati al circuito per fornire le letture corrette di tensione e corrente sul pannello frontale.

Passaggio 3: costruisci il multivibratore Astable e vedi se funziona

Metti insieme il multivibratore Astable come nella foto. Accendi con 5 volt e la forma d'onda al collettore del secondo transistor dovrebbe assomigliare al dente di sega nella seconda foto con la frequenza di circa 18 kHz.

Passaggio 4: aggiungere le sezioni buffer/amplificatore e convertitore boost

Una volta determinato che il multivibratore astabile sta funzionando, è possibile aggiungere la sezione transistor buffer. Il potenziometro da 100 K viene aggiunto per impostare il livello del segnale in ingresso al Mosfet. Dopo aver montato il Mosfet, adottando precauzioni antistatiche, installare il diodo e il condensatore elettrolitico. Prima di installare queste parti potresti voler provare a metterle sulla scheda di uno sperimentatore mentre provi vari valori di induttore. Ho smontato un mucchio di CFL e ho trovato che gli induttori erano perfetti per questo scopo, tranne per il fatto che si surriscaldavano con più di 100 mA che li attraversavano. Ho trovato questo induttore perfetto in quanto utilizza un filo più spesso. Puoi usare induttori da 50 a 200 uH e otterrai buoni risultati a questa frequenza. Consiglierei di guidare il Mosfet da un generatore di funzioni durante la sperimentazione. Passa da 0,5 volt di picco a picco fino a 5 volt di picco a picco. Metti un voltmetro attraverso il condensatore da 470 uF e osserva la tensione accumularsi attraverso il condensatore a molte volte la tensione di ingresso. Scaricato, il mio è salito a un eccesso di 30 volt. Assicurati che il tuo elettrolitico da 470 uF sia valutato almeno a 50 volt.

Lampada fluorescente compatta CFL

Passaggio 5: aggiungere il circuito LM317

Una volta che sei soddisfatto delle prestazioni della sezione del convertitore boost Mosfet, puoi installare l'LM317 e il suo dissipatore di calore. Ho scoperto che l'LM317 si è surriscaldato, necessitando di un dissipatore di calore ma non del Mosfet. Se la bobina si surriscalda, puoi creare un dissipatore di calore con un foglio di alluminio e della colla. Ho usato un piccolo pezzo di lamiera piegato intorno alla bobina e incollato con colla a caldo.

Passaggio 6: praticare i fori nella custodia, collegare i jack a banana e montare il display digitale sulla parte anteriore

Praticare i fori nel pannello anteriore per il potenziometro (1), (4) i fori per i jack a banana e (2) per il cavo USB e la spina di tipo adattatore. Montare il circuito nella posizione mostrata in figura e collegare tutto insieme. Ho scoperto che le spine a banana che ho usato funzionavano meglio con i connettori a forcella collegati ad esse. Alcune marche hanno connettori a saldare sul retro, quindi dipende dal tipo di connettore che usi.

Ho fissato la scheda alla base del case con un po' di colla a caldo per una facile rimozione se voglio apportare modifiche al circuito. Il pezzo anteriore di plastica nera è stato tagliato per accogliere la faccia del pannello del contatore. È stato fissato con colla a caldo. Una volta posizionati tutti i martinetti nella parte posteriore, anche il pannello è stato tenuto in posizione con colla a caldo.

Passaggio 7: assemblaggio finale e test

L'ultimo elemento da collegare al dispositivo è il modulo tensione/corrente. Il modulo viene fornito con un filo nero e un filo bianco, questi vanno all'alimentazione della tensione di ingresso. Il filo arancione va a rilevare la tensione positiva in uscita. Ci sono due spessi fili nero e rosso, questi vanno allo shunt di corrente. Questi vanno in serie con il carico di uscita per farti sapere quanta corrente viene assorbita dal tuo carico. I contatori non si registrano se si inverte la polarità. Ho scoperto che per qualche motivo la corrente non leggeva accuratamente per me, quindi ho dovuto sperimentare diversi spessori e tipi di filo. Una volta ottenute le letture corrette della corrente, ho saldato i fili direttamente ai terminali del modulo, eliminando i collegamenti forniti. Questo potrebbe essere stato un problema solo con il modulo che stavo usando.

Questo dispositivo inizierà a funzionare intorno a 3 VDC in ingresso ea questa tensione ti darà fino a 7 volt in uscita a 60 mA. Con un ingresso di 5 volt, ti darà un massimo di 11 volt in uscita a 120 mA in modo continuo, senza surriscaldare nessuno dei componenti. Un migliore dissipatore di calore ti darà correnti più elevate. Questo era ben all'interno della gamma per cui volevo usarlo.