DIY Linear DC power supply LAB (0-20V, 0.15-2A)

ดีซีเพาเวอร์ซัพพลาย (DC power supply) เป็นเครื่องมือของนักอิเล็กทรอนิกส์ทั้งมือใหม่และมืออาชีพจำเป็นต้องใช้ สำหรับออกแบบ งานทดลอง หรืองานซ่อมแซมต่างๆ เป็นต้น ซึ่งทั้งนี้แหล่งจ่ายไฟ ดีซีเพาเวอร์ซัพพลาย จะมีคุณภาพหรือใช้งานได้ดีเพียงใด ขึ้นอยู่กับการออกแบบและการเลือกใช้งานในลักษณะที่เหมาะสม สำหรับโครงงานนี้เป็นแหล่งจ่ายไฟ ดีซีเพาเวอร์ซัพพลาย ที่ทดลองออกแบบใหม่ตามแนวคิดที่น่าจะเป็นและปรับจูนค่าต่างๆ เพิ่มเติมภายหลังเพื่อให้สามารถใช้งานได้ในระดับที่น่าพอใจ โดยมีแนวคิดที่ว่า เป็นวงจรที่ใช้อุปกรณ์ไม่มากนัก วงจรง่ายๆ และอุปกรณ์สามารถหาซื้อได้ทั่วไปไม่เฉพาะมาก และออกแบบวงจรเป็นส่วนๆ เป็นให้ง่ายต่อการทดลองและแก้ไขภายหลัง

โดยในวงจรนี้ประกอบด้วยวงจร 4 ส่วนใหญ่คือ 1. วงจรเปรียบเทียบแรงดันสำหรับกำหนดค่าแรงดันที่เอาต์พุต 2. วงจรเปรียบเทียบกระแสสำหรับกำหนดค่ากระแสที่เอาต์พุต 3. วงจรแสดงผลการทำงานจะมี 2 ส่วนย่อยคือ แสดงผลกระแสเกินและอุณหภูมิเกิน 4. วงจรในส่วนขับกำลังทรานซิสเตอร์

ในรูปที่ 1 จะเป็นวงจรเริ่มต้นการทดลองในส่วนการควบคุมแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ (Constant Voltage : CV) ในวงจรนี้จะใช้ออปแอมป์ในการออกแบบ โดยค่าแรงดันที่ต้องการอยู่ที่ 0-20V ซึ่งเป็นค่าแรงดันทั่วไปและค่อนข้างใช้งานบ่อย

ในรูปที่ 2 และ 3 จะเป็นลักษณะของการต่อร่วมกับส่วนขับกำลังที่เอาต์พุต ซึ่งจะประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ 2 ตัวคือ ตัวขับกำลังหลักเบอร์ TIP2955 ตัวขับที่ 2 จะเป็นเบอร์ BD139 และส่วนของสัญญาณควบคุมจะมาจากไอซีเปรียบเทียบอีก 1 ส่วนซึ่งจะใช้เบอร์ LM393

ในรูปที่ 4 และรูปที่ 5 เป็นดิจิตอลมัลติมิเตอร์ใช้ในการวัดค่าแรงดันเอาต์พุตที่เราต้องการ (ตัวสีแดงรูปที่ 4) และอีกหนึ่งตัว (รูปที่ 5 SANWA) จะวัดค่าการปรับค่าแรงดันอ้างอิงที่เกิดขึ้นให้กับการเปรียบเทียบค่านั้นเอง

รูปที่ 6 จะเป็นส่วนของวงจรที่ออกแบบเพิ่มเติมคือ ค่ากระแสเอาต์พุตคงที่ (Constant Current : CC) โดยในวงจรนี้จะอยู่ในช่วง 0.15-2A และวงจรที่ใช้ในการตรวจจับกระแสนั้นจะใช้วิธีตรวจจับกระแสแบบด้านบน (High side current sense) ด้วยการใช้ออปแอมป์ต่อวงจรในลักษณะการขยายความแตกต่างสัญญาณ (Differential amplifier) กับไอซี LM358

ต่อมาในรูปที่ 7 จะเป็นวงจรต้นแบบที่สามารถควบคุมค่าแรงดันคงที่และกระแสคงที่เป็นที่น่าพอใจและสามารถปรับตัวต้านทานเพื่อกำหนดค่าที่ต้องการได้แล้ว ซึ่งในที่นี้จะยังเป็นการต่อวงจรทั้งหมดในเบรดบอร์ด (Breadboard) ซึ่งต่อมาเราจะย้ายวงจรมายัง PCB อเนกประสงค์ใหม่อีกครั้ง

รูปที่ 8 และรูปที่ 9 เป็นการประกอบวงจรต้นแบบใหม่บน PCB อเนกประสงค์ จะเริ่มต้นประกอบส่วนที่มีกลุ่มอุปกรณ์มากๆ ก่อน และสามารถทดสอบการทำงานได้ ทั้งนี้ทำให้เราตรวจสอบการทำงานและความถูกต้องได้ง่าย

รูปที่ 10 และรูปที่ 11 แสดงลักษณะของการประกอบอุปกรณ์ทั้งหมดเสร็จแล้ว และวงจรสามารถทำงานได้ตามแนวคิดที่กำหนดไว้ ในที่นี้จะใช้ตัวต้านทานค่าคงที่ขนาด 10 โอห์ม 10 วัตต์ จำนวน 2 ตัว ในการทดสอบการควบคุมแรงดันคงที่และกระแสคงที่รวมทั้งผลต่างๆ ที่อาจจะเกิดขึ้น

ในรูปที่ 12 เป็นการต่อวงจรในส่วนของการแสดงผลเพิ่มเติม ซึ่งเราจะใช้หรือไม่ใช้ส่วนนี้ได้โดยไม่กระทบการทำงานหลัก ซึ่งจะแสดงผลเมื่อเกิดการจ่ายกระแสเกิน โดยจะมีแอลอีดีแสดงผลให้ทราบและอีกส่วนคือ ถ้าในส่วนของตัวขับกำลังทรานซิสเตอร์เกิดความร้อนสูง ประมาณ 80 องศาเซลเซียล จะทำให้วงจรหยุดการทำงานเพื่อให้อุณหภูมิลดลง โดยในช่วงที่อุณหภูมิจะมีแอลอีดีแสดงผลให้ทราบ

ในรูป 13 ถึงรูปที่ 15 เป็นลักษณะของวงจรที่ประกอบส่วนต่างๆ เข้ามารวมกันในบอร์ดเดียวเสร็จเรียบร้อย และสามารถนำไปใช้งานได้จริง หรือเราอาจจะออกแบบแผ่น PCB ใหม่เพื่อให้วงจรดูสวยงามและเป็นระเบียบเรียบร้อยขึ้น สำหรับโครงงานนี้จะใช้แนวคิดของการออกแบบวงจรที่ไม่ยากมากครับ และหวังว่าจะนำไปใช้ประโยชน์ได้ดีในราคาที่ไม่สูงมากนัก

Reference

1. https://www.chegg.com/homework-help/questions-and-answers/considering-linear-power-supply-regulator-circuit–determine-value-output-regulated-dc-vol-q31000494
2. https://www.multisim.com/content/VDCmNCdjxvkqjqqGZg9REM/linear-regulated-power-supply/
3. https://www.circuitlib.com/index.php/lessons/96-op-amp-voltage-regulator-concept
4. https://www.industrial-electronics.com/electrnc-dvcs-9e_17.html
5. https://www.electronics-lab.com/project/0-30-vdc-stabilized-power-supply-with-current-control-0-002-3-a/
6. https://tangentsoft.net/elec/opamp-linreg.html
7. https://www.avnet.com/wps/portal/ebv/resources/article/discretes-op-amp-circuits/