Як побудувати імпульсний блок живлення Arduino (SMPS)

У цьому підручнику ми будемо використовувати наш Arduino як схему управління для імпульсного джерела живлення. Імпульсний блок живлення (SMPS) - це електронна схема, яка перетворює потужність за допомогою комутаційних пристроїв, які вмикаються та вимикаються на високих частотах. Висока ефективність SMPS робить їх популярними для використання в комп'ютерах та іншій чутливій електроніці.

Як працює імпульсний блок живлення

Основний SMPS AC-DC складається з:

Вхідний випрямляч і фільтр
Трансформатор
Вихідний випрямляч і фільтр
Схема зворотного зв'язку та управління

Для того, щоб використовувати Arduino для цього завдання, ми можемо використовувати ШІМ-виходи плати для управління вихідною напругою. Широтно-імпульсна модуляція (ШІМ) - це загальноприйнята техніка, що використовується для варіювання ширини імпульсів в послідовності імпульсів.

ШІМ-штирі використовуються у багатьох додатках, включаючи затемнення світлодіодів, регулювання змінної швидкості для двигунів тощо. Найголовніше, що вони використовуються для забезпечення аналогового виходу, забезпечуючи аналогову напругу від 0% до 100%, якщо цифровий вихід фільтрується. На платі Arduino UNO цифрові висновки 3, 5, 6, 9, 10 і 11 є ШІМ-висновками.

Вихід схеми буде + 30 В постійного струму та -30 В постійного струму. Подальші регулювання напруги вимагають додаткових регуляторів напруги та потенціометрів.

Спочатку ми почнемо зі зниження напруги з електромережі та перетворення її в напругу постійного струму через схему випрямляча.

Необхідне обладнання

Схема трансформатора та випрямляча

Трансформатор (співвідношення первинних та вторинних обертів 4.107)
4 x діоди Шотткі MBR20100
2 конденсатори 1F
2 резистори 100 кОм

+Вихідна схема 30 В

2 запобіжники 13А
3,3 Ом резистор
2 конденсатори 10 мкФ
LM317 IC регулятора
LM143 Операційний підсилювач
Порада 147 Транзистор Дарлінгтона
Діод 1N4007
Резистор 100 кОм
Резистор 10 кОм
80 кОм заздалегідь

Для вихідної схеми -30 В

Порада 142 Транзистор Дарлінгтона
3,3 Ом резистор
2 конденсатори 10 мкФ
LM143 Операційний підсилювач
LM337 IC регулятор напруги
Резистор 100 кОм
Діод 1N4007
Попередньо встановлене значення 90 кОм
Резистор 10 кОм

Програмне забезпечення

Вибір трансформатора

Наш найперший крок до побудови цього джерела живлення - це вибір трансформатора. Наш вихід живлення становить 30 В постійного струму та -30 В постійного струму симетрично, максимум 10 А обидва. Отже, ми будемо використовувати трансформатор із співвідношенням первинного і вторинного витків 4,107, який зможе подавати 40 В змінного струму та макс. 15 А до кожного з вторинних ланцюгів управління.

Проектування схеми випрямляча

Схема випрямляча перетворює змінну напругу в постійну. Отже, наша схема випрямляча перетворює наш 40 В змінного струму в постійний, щоб наблизити нас до потрібного формату вихідної напруги. Дуже базова схема випрямляча складається з чотирьох діодів; тут ми будемо використовувати діоди Шотткі MBR20100. Ці діоди широко використовуються в SMPS, захисті від зворотних батарей, перетворювачах тощо.

Схема випрямляча

Проектування схем управління

Наша схема управління + 30 В постійного струму побудована навколо операційного підсилювача LM143, транзистора TIP142 Дарлінгтона, мікросхеми регулятора LM317 та Arduino UNO.

По-перше, ми подаємо свою позитивну напругу від схеми випрямляча на транзистор Tip 147. Це PNP-додатковий силовий транзистор Дарлінгтона, який часто використовується в лінійному та комутаційному промисловому обладнанні.

Нам потрібно застосувати центральну стрічку трансформатора, загалом заземлену для управління напругою колектора транзистора.

Тепер ми стикаємось з одним з найважливіших компонентів у цій схемі: підсилювачем LM143. Основною причиною того, що я вибрав цей операційний підсилювач, є те, що він має функцію +/- 40 В повний захист від перенапруги на вході зі порівнянними струмами.

Ми застосовуємо вихід ШІМ від Arduino як неінвертуючий вхід до операційного підсилювача. За допомогою штифта GND Arduino підключений до центральної стрічки трансформатора, а також використовується як інвертуючий вхід. Далі ми застосовуємо + 40 В та -40 В від схеми випрямляча до V + та V- оп-підсилювача відповідно. Потім вихід з операційного підсилювача використовується як опорна напруга LM317.

Принципова схема LM337. Зображення надано Texas Instruments.