Fonte de alimentação de tensão variável USB: 7 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

Há algum tempo, tenho uma ideia para uma fonte de alimentação variável com alimentação USB. Ao projetá-lo, tornei-o um pouco mais versátil, permitindo não apenas a entrada USB, mas qualquer coisa de 3 VCC a 8 VCC por meio de um plugue USB ou por meio de plugues banana. A saída usa o tipo de conector que você veria em uma verruga de parede e dois conectores banana. Se você alimentá-lo com 5 volts, pode variar a saída de 1,3 Volts a 20 Volts levemente carregados com tensões mais baixas de até 200 mA. A frente possui um display digital que exibe os volts e a corrente que vai para a carga. Na foto acima, estou fornecendo um mini osciloscópio com 9 volts a 120mA da fonte USB de 5 volts de um terminal USB de laptop.

Suprimentos:

Peças

(1) resistor de 240 ohm, 1/4 watt

(1) resistor de 67 k, 1/4 watt

(2) resistências de 4,7 k 1/4 watt

(3) resistores de 1 k, 1/4 watt

(3) transistores 2N3904

(1) IRF520 Mosfet ou equivalente

(2) diodos de comutação 1N914

(1) diodo 1N4007

(2) capacitores de cerâmica de 0,01 uF (o esquema diz 8 nF ou 0,008 uF, mas 0,01 uF é mais fácil de obter)

(2) capacitores eletrolíticos de 10 uF, 50 volts

(1) capacitor eletrolítico 470 uF de 50 volts

(1) indutor 56 uH (pode ser enrolado em um pequeno toróide, se desejado)

(1) potenciômetro de 100k

(1) potenciômetro de 5k 1/2 watt, cone linear

(1) Chip IC regulador de tensão LM317 IC

(4) jacks banana (masculinos)

(1) conector USB de tamanho padrão (macho)

(1) módulo voltímetro amperímetro digital

(1) Habitação

(1) Perf ou placa de prototipagem

(1) botão preto com aperto de parafuso

Tubulação termorretrátil

Várias cores de fio de conexão

Conectores de espadas (vários tamanhos)

Dissipador de calor e composto de silício para LM317

Ferramentas

Ferro de soldar, solda, cola Hot melt, broca com brocas, chaves de fenda variadas, diferentes tipos de alicates pequenos, multímetro e osciloscópio

Etapa 1: Obtenção de peças

Usei intencionalmente peças que são fáceis de encontrar e podem ser recuperadas de placas eletrônicas descartadas. O LM317 IC é muito comum e os transistores 2N3904 são de uso geral e muitos tipos diferentes podem ser substituídos. O Mosfet também é muito comum e outros tipos podem ser usados como um substituto, desde que o substituto seja um Mosfet de canal N e tenha classificações semelhantes. O indutor não é crítico e muitos na faixa de 50 a 200 nH podem ser usados. Para este propósito, eu os resgato de placas de driver de lâmpadas CFL gastas. Qualquer tipo de caixa de projeto pode ser usado. Eu tinha este em mãos, mas um preto mais barato é perfeitamente adequado. Quanto ao uso do perfboard, é minha escolha pessoal pela facilidade com que as modificações podem ser feitas.

Etapa 2: Teoria por trás do circuito

As fotos da forma de onda acima mostram a progressão da forma de onda. O primeiro mostra a forma de onda na saída do multivibrador astável na parte superior do diodo 1N914 direito. O segundo mostra a forma de onda na porta do IRF520 e o último mostra a forma de onda na fonte do IRF520.

O circuito usa um multivibrador astável de dois transistores operando a 18 kHz. A saída de onda quadrada é obtida da parte superior de um dos dois diodos 1N914. Os transistores são 2N3904 comuns. A onda quadrada de baixa tensão é impulsionada por outro transistor 2N3904 que é polarizado classe C. O transistor aumenta a onda quadrada de entrada por um fator de cerca de 10, onde passa por um capacitor eletrolítico e um potenciômetro de 100k antes de ser aplicado à porta de um Mosfet IRF520. O Mosfet é conectado como um chopper elevador com o terminal da fonte tendo um choke de 56 uH voltando para a alimentação de 5 volts. Quando o Mosfet é ligado e, em seguida, desligado abruptamente, o campo magnético no indutor é formado e então entra em colapso, produzindo um EMF de volta. Esta voltagem EMF de retorno pode fluir através do diodo 1N4007 e está em série com a voltagem da fonte. Isso carrega até a adição das duas tensões ao longo do eletrolítico 470 uF. À frente do capacitor está um chip regulador de tensão LM317 configurado como uma fonte de alimentação ajustável que é ajustada pelo potenciômetro de 5k. A tensão descarregada é ajustável entre 1,3 volts e 20 volts. Um voltímetro digital e um amperímetro são conectados ao circuito para fornecer as leituras de tensão e corrente adequadas no painel frontal.

Etapa 3: construir o multivibrador astável e ver se funciona

Monte o Multivibrador Astable como na imagem. Ligue com 5 volts e a forma de onda no coletor do segundo transistor deve se parecer com o dente de serra na segunda foto, com a frequência sendo de aproximadamente 18 kHz.

Etapa 4: Adicionar Buffer / amplificador e Seções de Conversor de Reforço

Uma vez que tenha sido determinado que o multivibrador astável está funcionando, você pode adicionar a seção do transistor do buffer. O trim pot de 100 K é adicionado para definir o nível de entrada do sinal para o Mosfet. Após a montagem do Mosfet, tomando as precauções antiestáticas, instale o diodo e o capacitor eletrolítico. Antes de instalar essas peças, você pode experimentar colocá-las em uma placa de experimentador enquanto tenta vários valores de indutor. Desmontei um monte de lâmpadas fluorescentes compactas e descobri que os indutores eram perfeitos para esse propósito, exceto que esquentavam com mais de 100 mA passando por eles. Achei esse indutor perfeito, pois usa fio mais grosso. Você pode usar indutores de 50 a 200 uH e obterá bons resultados nesta frequência. Eu recomendaria dirigir o Mosfet a partir de um gerador de funções durante os experimentos. Vá de 0,5 volts de pico a pico até 5 volts de pico a pico. Coloque um voltímetro no capacitor 470 uF e observe o aumento da tensão no capacitor até muitas vezes a tensão de entrada. Descarregado, o meu subiu para um excesso de 30 volts. Certifique-se de que o eletrolítico de 470 uF seja classificado para pelo menos 50 volts.

CFL-luz fluorescente compacta

Etapa 5: adicionar o circuito LM317

Quando estiver satisfeito com o desempenho da seção do conversor boost Mosfet, você pode instalar o LM317 e seu dissipador de calor. Descobri que o LM317 esquentou, precisando de um dissipador de calor, mas não do Mosfet. Se a bobina esquentar, você pode fazer um dissipador de calor com papel alumínio e um pouco de cola. Usei um pequeno pedaço de folha de metal dobrado ao redor da bobina e colado no lugar com cola termofusível.

Etapa 6: faça furos na caixa, conecte as tomadas de banana e monte o visor digital na frente

Faça orifícios no painel frontal para potenciômetro (1), (4) orifícios para conectores banana e (2) para cabo USB e plugue do tipo adaptador. Monte a placa de circuito na posição mostrada na imagem e conecte tudo junto. Descobri que os plugues banana que usei funcionam melhor com conectores tipo espada conectados a eles. Algumas marcas têm conectores de solda na parte traseira, portanto, depende do tipo de conector que você usa.

Prendi a placa na base da caixa com um pouco de cola hot melt para facilitar a remoção se quiser fazer modificações no circuito. A peça frontal de plástico preto foi cortada para acomodar a face do painel do medidor. Estava preso com cola quente derretida. Depois que todos os conectores foram colocados na parte traseira, o painel também foi mantido no lugar com cola quente derretida.

Etapa 7: Montagem Final e Teste

O último item a ser conectado ao dispositivo é o módulo de tensão / corrente. O módulo vem com um fio preto e um fio branco, estes vão para a fonte de tensão de entrada. O fio laranja vai detectar a tensão positiva de saída. Existem dois fios grossos pretos e vermelhos, que vão para o shunt atual. Eles vão em série com a carga de saída para permitir que você saiba quanta corrente está sendo consumida por sua carga. Os medidores não são registrados se você inverter a polaridade. Descobri que, por algum motivo, a leitura da corrente não era precisa para mim, então tive que experimentar diferentes espessuras e tipos de fios. Assim que obtive as leituras de corrente adequadas, soldei os fios diretamente aos terminais do módulo, eliminando as conexões fornecidas. Isso pode ter sido um problema apenas com o módulo que eu estava usando.

Este dispositivo começará a funcionar em torno da entrada de 3 VCC e com essa tensão fornecerá uma saída de até 7 volts a 60 mA. Com entrada de 5 volts, ele fornecerá no máximo 11 volts de saída a 120 mA continuamente, sem superaquecimento de nenhum dos componentes. Melhor dissipação de calor lhe dará correntes mais altas. Isso estava bem dentro da faixa para a qual eu queria usá-lo.