एम्बेडेड और iot परियोजनाओं के लिए अपनी खुद की कॉम्पैक्ट 5v / 3.3v smps सर्किट डिज़ाइन करें

अपने डीसी सर्किट को एसी मेन के साथ बिजली देने का एक कच्चा तरीका है 230V मेन वोल्टेज को कम करने और ब्रिज रेक्टिफायर के रूप में डायोड के एक जोड़े को जोड़ने के लिए एक स्टेप-डाउन ट्रांसफार्मर का उपयोग करना। लेकिन विशाल अंतरिक्ष आकार और अन्य कमियों के कारण, इसका उपयोग सभी उद्देश्यों के लिए नहीं किया जा सकता है। एक और सबसे लोकप्रिय और पेशेवर तरीका यह है कि अपने एसी मेन को डीसी वोल्टेज की एक विस्तृत श्रृंखला में परिवर्तित करने के लिए स्विच मोड पॉवर सप्लाई सर्किट का उपयोग करें। सामान्य 12 वी एडॉप्टर से लेकर लैपटॉप चार्जर तक लगभग हर उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में आवश्यक डीसी प्रदान करने के लिए एक एसएमपीएस सर्किट होता है। निर्गमन शक्ति।

सर्किटडिगेस्ट में, हमने पहले से ही कुछ लोकप्रिय एसएमपीएस सर्किट बनाए हैंअलग-अलग रेटिंग के लिए, अर्थात् 12 वी 1 ए वाइपर 22 ए एसएमपीएस, 5 वी 2 ए एसएमपीएस और 12 वी 1 ए एसएमपीएस सर्किट जिनमें से प्रत्येक का उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है। इस बार, हम एक एसएमपीएस का निर्माण करेंगे जिसका उपयोग सामान्य उद्देश्यों के लिए किया जा सकता है और इसमें अंतरिक्ष से संबंधित स्थितियों में उपयोग किए जाने वाला एक सरल मॉड्यूल आकार होता है। आजकल, इंटरनेट ऑफ थिंग्स विभिन्न वाईफाई-आधारित प्रोसेसर जैसे कि NodeMCU, ESP32, और ESP12E, आदि का उपयोग करता है जो 5V या 3.3V पर काम करते हैं। ये मॉड्यूल अत्यधिक कॉम्पैक्ट हैं और इसलिए इन बोर्डों को बिजली देने के लिए, यह छोटे एसएमपीएस सर्किट का उपयोग करने के लिए समझ में आता है जो एक अलग एसएमपीएस सर्किट का उपयोग करने के बजाय एक ही बोर्ड पर जा सकते हैं। इसलिए इस लेख में, हम सीखेंगे कि एसएमपीएस सर्किट का निर्माण कैसे किया जा सकता है जो या तो 5 वी या 3.3 वी (जम्पर का उपयोग करके हार्डवेयर कॉन्फ़िगर करने योग्य) का उत्पादन कर सकता है, सर्किट डिज़ाइन और पीसीबी लेआउट भी प्रदान किया जाता है, इसलिए आप इसे केवल अपने मौजूदा डिज़ाइन में पोर्ट कर सकते हैं।यहाँ हमारे PCB बोर्ड PCBGoGo, एक चीन आधारित कम लागत वाली उच्च गुणवत्ता वाले पीसीबी प्रोटोटाइप और PCB असेंबली सर्विस कंपनी द्वारा निर्मित हैं।

SMPS की रेटिंग 5V या 3.3V 1.5A है क्योंकि अधिकांश विकास बोर्ड 5V या 3.3V तर्क स्तर के वोल्टेज का उपयोग करते हैं और 1.5A IoT आधारित अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त होना चाहिए। लेकिन ध्यान दें कि आकार और लागत को कम करने के लिए इस एसएमपीएस में इनपुट अनुभाग में कोई फिल्टर नहीं है। इसलिए, इस एसएमपीएस का उपयोग केवल माइक्रोकंट्रोलर बोर्ड या चार्जिंग प्रयोजनों के लिए किया जा सकता है। सुनिश्चित करें कि यह ऑपरेशन में होने पर उपयोगकर्ता की पहुंच से आच्छादित होगा।

चेतावनी: SMPS सर्किट के साथ काम करना खतरनाक हो सकता है क्योंकि इसमें AC मेन्स वोल्टेज शामिल है जो संभावित घातक है। अगर आपको एसी मेन के साथ काम करने का कोई अनुभव नहीं है, तो इसे बनाने का प्रयास न करें। हमेशा जीवित तारों और चार्ज किए गए कैपेसिटर के साथ सतर्क रहें, यदि आवश्यक हो तो सुरक्षात्मक उपकरण और पर्यवेक्षण का उपयोग करें। आपको चेतावनी दी गई है!!

5V / 3.3V SMPS बोर्ड विनिर्देशन

SMPS में निम्नलिखित विनिर्देश होंगे।

1. 85VAC से 230VAC इनपुट।
2. 5V या 3.3V चयन 2A आउटपुट।
3. खुला फ्रेम निर्माण
4. शॉर्ट सर्किट और ओवरवॉल्टेज प्रोटेक्शन
5. कम लागत वाली सुविधाओं के साथ छोटा आकार।

SMPS सर्किट (BOM) के लिए आवश्यक सामग्री

1. फ्यूज 1 ए 250 वीएसी स्लो ब्लो
2. डायोड ब्रिज DB107
3. 10uF / 400V
4. P6KE डायोड
5. UF4007
6. 2Meg - 2 Pcs - 0805 पैकेज
7. 2.2nF 250VAC
8. TNY284DG
9. 10uF / 16V - 0805 पैकेज
10. PC817
11. 1k - 0805 पैकेज
12. 22 आर - 2 पीसी - 0805 पैकेज
13. 100 एनएफ - 0805 पैकेज
14. TL431
15. SR360
16. 470pF 100V - 0805 पैकेज
17. 1000uF 16V
18. ३.३ एचएच - ड्रम कोर
19. 2.2nF 250VAC

नोट: सभी भागों को डिजाइनरों के लिए आसानी से उपलब्ध होने के लिए चुना गया था। SMPS ट्रांसफॉर्मर को इस डेटाशीट का उपयोग करके कस्टम बिल्ड बनाना होगा। आप लिंक का उपयोग करके या तो एक वेंडर का उपयोग कर सकते हैं या अपने SMPS ट्रांसफ़ॉर्मर को डिज़ाइन और विंड कर सकते हैं।

यह SMPS पावर इंटीग्रेशन IC TNY284DG का उपयोग करके बनाया गया है । यह SMPS Diver IC इस SMPS के लिए सबसे उपयुक्त है क्योंकि IC SMD पैकेज में उपलब्ध है और साथ ही वाट क्षमता के लिए उपयुक्त है। नीचे दी गई छवि TNY284DG के वाट क्षमता विनिर्देश को दिखा रही है।

जैसा कि हम देख सकते हैं, TNY284DG हमारे विकल्प के लिए एकदम सही है। जैसा कि निर्माण एक खुला फ्रेम है, यह 8.5 डब्ल्यू के आउटपुट वाट क्षमता से मेल खाएगा। मतलब यह 5V पर आसानी से 1.5A प्रदान कर सकता है।

5V / 3.3V SMPS सर्किट आरेख

इस SMPS का निर्माण बहुत सरल और सीधे आगे है। यह डिज़ाइन SMPS ड्राइवर IC के रूप में पावर इंटीग्रेशन चिपसेट का उपयोग करता है। सर्किट की योजनाबद्ध छवि को नीचे देखा जा सकता है-

निर्माण और कार्य

प्रोटोटाइप भाग के निर्माण में सीधे जाने से पहले, चलो सर्किटरी ऑपरेशन का पता लगाएं। सर्किट में निम्नलिखित भाग हैं-

1. इनपुट सुरक्षा
2. एसी-डीसी रूपांतरण
3. चालक सर्किटरी या स्विचिंग सर्किट
4. अंडर-वोल्टेज लॉकआउट सुरक्षा।
5. क्लैंप सर्किट
6. मैग्नेटिक्स और गैल्वेनिक अलगाव
7. ईएमआई फ़िल्टरिंग
8. सेकेंडरी रेक्टिफायर और स्नबर सर्किट
9. फ़िल्टर अनुभाग
10. प्रतिक्रिया अनुभाग।

इनपुट सुरक्षा

एफ 1 एक धीमा झटका फ्यूज है जो एसएमपीएस को उच्च भार और गलती की स्थिति से बचाएगा। SMPS इनपुट अनुभाग किसी भी EMI फ़िल्टर विचार का उपयोग नहीं करता है। यह एक 1A 250VAC स्लो ब्लो फ्यूज है और यह SMPS को फॉल्ट की स्थिति में सुरक्षा प्रदान करेगा। हालांकि, इस फ्यूज को ग्लास फ्यूज में बदला जा सकता है। आप विभिन्न प्रकार के फ्यूज पर भी लेख देख सकते हैं।

एसी-डीसी रूपांतरण

बी 1 डायोड ब्रिज रेक्टिफायर है। यह DB107, एक 1 ए 700V डायोड ब्रिज है। यह एसी इनपुट को डीसी वोल्टेज में बदल देगा। इसके अतिरिक्त, डीसी रिपल को ठीक करने के लिए 10uF 400V संधारित्र आवश्यक होगा और यह चालक सर्किट के साथ-साथ ट्रांसफार्मर को एक सुचारू डीसी आउटपुट प्रदान करेगा।

चालक सर्किटरी या स्विचिंग सर्किट

यह इस SMPS का मुख्य घटक है। ट्रांसफार्मर का प्राथमिक पक्ष स्विचिंग सर्किट TNY284DG द्वारा ठीक से नियंत्रित किया जाता है। स्विचिंग आवृत्ति 120-132 kHz है। इस उच्च स्विचिंग आवृत्ति के कारण, छोटे ट्रांसफार्मर का उपयोग किया जा सकता है।

उपरोक्त पिनआउट आरेख TNY284DG पिनआउट दिखा रहा है। स्विचिंग ड्राइवर IC1 जो TNY284DG है C2 एक 10uF 16V कैपेसिटर का उपयोग करता है। यह संधारित्र TNY284DG के आंतरिक सर्किट को एक सुचारू डीसी आउटपुट प्रदान करता है।

अंडर-वोल्टेज लॉकआउट सुरक्षा

ट्रांसफार्मर एक विशाल प्रारंभ करनेवाला के रूप में कार्य करता है। इसलिए, प्रत्येक स्विचिंग चक्र में ट्रांसफार्मर ट्रांसफार्मर के रिसाव की वजह से उच्च वोल्टेज स्पाइक्स को प्रेरित करता है। जेनर डायोड D1 जो P6KE160 डायोड है, आउटपुट वोल्टेज सर्किट को क्लैंप करता है और D2 जो कि UF4007 है, एक अल्ट्रा-फास्ट डायोड इस हाई वोल्टेज स्पाइक्स को ब्लॉक करता है और इसे एक सुरक्षित मूल्य पर नम करता है जो TNY284DG के DRAIN पिन को बचाने के लिए फायदेमंद है ।

मैग्नेटिक्स और गैल्वेनिक अलगाव

ट्रांसफार्मर फेरोमैग्नेटिक है और यह न केवल उच्च वोल्टेज एसी को कम वोल्टेज एसी में परिवर्तित करता है बल्कि गैल्वेनिक अलगाव भी प्रदान करता है। ट्रांसफार्मर एक EE16 ट्रांसफार्मर है। ट्रांसफार्मर ट्रांसफार्मरशीट में विस्तृत ट्रांसफार्मर विनिर्देश को देखा जा सकता है जो पहले आवश्यक सामग्री में साझा किया गया था।

ईएमआई फ़िल्टर

EMI फ़िल्टरिंग C3 कैपेसिटर द्वारा की जाती है। सी 3 संधारित्र एक उच्च वोल्टेज 2.2nF 250VAC संधारित्र है, जो सर्किट प्रतिरक्षा को बढ़ाता है और उच्च ईएमआई हस्तक्षेप को कम करता है।

सेकेंडरी रेक्टिफायर और स्नबर सर्किट

ट्रांसफार्मर से आउटपुट एक Schottky डायोड SR360 का उपयोग करके ठीक किया गया है। यह एक 60V 3A डायोड है। यह Schottky डायोड डी 3 ट्रांसफॉर्मर से डीसी आउटपुट प्रदान करता है जो कि बड़े 1000uF 16V संधारित्र C6 द्वारा आगे सुधारा जाता है।

ट्रांसफार्मर का आउटपुट एक रिंगिंग रिपल प्रदान करता है जो स्नबर सर्किट द्वारा दबाया जाता है जो श्रृंखला कनेक्शन में कम-मूल्य रोकनेवाला और कैपेसिटर द्वारा बनाया जाता है जो आउटपुट रेक्टिफायर के समानांतर होता है। कम-मूल्य रोकनेवाला 22R है और कम-मूल्य संधारित्र 470 pF है। ये दो घटक R8 और C5 DC आउटपुट सेक्शन में स्नबर सर्किट बनाते हैं।

फ़िल्टर अनुभाग

फ़िल्टर अनुभाग एक LC कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग करके बनाया गया है। C फ़िल्टर कैपेसिटर C6 है। यह 100uF 16V के मूल्य के साथ बेहतर तरंग अस्वीकृति के लिए कम ESR संधारित्र है और प्रारंभ करनेवाला L1 3.3uH ड्रम कोर प्रारंभ करनेवाला है।

प्रतिक्रिया अनुभाग

आउटपुट वोल्टेज को वोल्टेज डिवाइडर द्वारा यू 1 टीएल 431 द्वारा महसूस किया जाता है। इसलिए, जब भी वोल्टेज विभक्त एक परिपूर्ण वोल्टेज का उत्पादन करता है, तो TL431 एक ऑप्ट युग्मक पर मुड़ता है जो कि PC817 है, जिसे OK1 के रूप में निरूपित किया जाता है।

चूंकि दो चयन योग्य वोल्टेज ऑपरेशन 3.3V और 5V हैं, इसलिए तीन प्रतिरोधों R3, R4 और R5 का उपयोग करके दो वोल्टेज डिवाइडर बनाए गए हैं। R5 सभी दो डिवाइडर के लिए आम है लेकिन R3 और R4 एक जम्पर का उपयोग करके परिवर्तनशील हैं। यू 1 को लाइन करने के बाद, ऑप्टोकॉपलर को नियंत्रित किया जाता है जो आगे TNY284DG को ट्रिगर करता है और प्राथमिक पक्ष नियंत्रक के साथ माध्यमिक प्रतिक्रिया संवेदन भाग को अलग करता है।

पहले पावर-अप के दौरान, जैसा कि यह एक फ़्लाईबैक कॉन्फ़िगरेशन है, ड्राइवर स्विचिंग चालू करता है और ऑप्टोकॉप्लर से प्रतिक्रिया का इंतजार करता है। यदि सब कुछ सामान्य है, तो ड्राइवर स्विच करना जारी रखता है, अन्यथा स्विचिंग चक्र को छोड़ दें जब तक कि सब कुछ सामान्य न हो जाए।

हमारे SMPS PCB को डिजाइन करना

एक बार सर्किट को अंतिम रूप देने के बाद, आप इसे एक संपूर्ण बोर्ड पर परीक्षण कर सकते हैं और फिर अपने पीसीबी डिजाइन के साथ शुरू कर सकते हैं। हमने अपने पीसीबी को डिजाइन करने के लिए ईगल का उपयोग किया है, आप नीचे दी गई लेआउट छवि देख सकते हैं। आप नीचे दिए गए लिंक से डिज़ाइन फ़ाइलों को भी डाउनलोड कर सकते हैं।

• 5V / 3.3V SMPS के लिए ईगल स्कैमैटिक्स और पीसीबी डिज़ाइन

जैसा कि आप देख सकते हैं कि बोर्ड का आकार 32 मिमी के लिए 63 मिमी है, जो कि एक छोटे आकार का है। सुरक्षित संचालन सुनिश्चित करने के लिए घटकों को सुरक्षित दूरी पर रखा जाता है। हमारे पीसीबी के ऊपर की ओर और नीचे की तरफ नीचे की छवि में दिखाया गया है। यह एक डबल परत पीसीबी बोर्ड है जिसमें तांबे की 35um की योजनाबद्ध मोटाई है। आउटपुट डायोड और ड्राइवर आईसी को गर्मी अपव्यय संबंधी उद्देश्यों के लिए विशेष थर्मल विचार की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, बेहतर ग्राउंड कनेक्टिविटी के लिए सिलाई के माध्यम से माध्यमिक पक्ष पर किया जाता है।

आप यह भी देख सकते हैं कि मॉड्यूल के आकार को छोटे आयाम में रखने के लिए कुछ SMD घटकों को बोर्ड के पीछे रखा गया है। कुछ डिज़ाइन विचार हैं जिनका आपको अनुसरण करना है यदि आप अपने SMPS PCB को डिज़ाइन कर रहे हैं, तो अधिक जानने के लिए SMPS PCB डिज़ाइन लेआउट गाइड पर इस लेख को देखें।

12 वी 1 ए एसएमपीएस सर्किट के लिए फैब्रिकिंग पीसीबी

अब हम समझते हैं कि योजनाबद्ध कैसे काम करते हैं, हम अपने एसएमपीएस के लिए पीसीबी के निर्माण के साथ आगे बढ़ सकते हैं। चूंकि यह एक एसएमपीएस सर्किट है, एक पीसीबी की सिफारिश की जाती है क्योंकि यह शोर और अलगाव की समस्याओं से निपट सकता है। उपरोक्त सर्किट के लिए पीसीबी लेआउट लिंक से जेरबर के रूप में डाउनलोड के लिए भी उपलब्ध है।

• 5V / 3.3V SMPS सर्किट के लिए Gerber फ़ाइल डाउनलोड करें

अब हमारा डिज़ाइन तैयार है, यह समय है कि उन्हें गेरबर फ़ाइल का उपयोग करके गढ़ा जाए। PCBGOGO से किया गया PCB काफी आसान है, बस नीचे दिए गए चरणों का पालन करें-

चरण 1: www.pcbgogo.com पर जाएं, साइन अप करें यदि यह आपकी पहली बार है। तब पीसीबी प्रोटोटाइप टैब में, अपने पीसीबी के आयाम, परतों की संख्या, और आपके द्वारा आवश्यक पीसीबी की संख्या दर्ज करें। पीसीबी मान रहा है कि 80 सेमी × 80 सेमी है, आप नीचे दिखाए गए अनुसार आयाम सेट कर सकते हैं।

चरण 2: भाव अब बटन पर क्लिक करके आगे बढ़ें । आपको एक पृष्ठ पर ले जाया जाएगा जहाँ कुछ अतिरिक्त पैरामीटर सेट करने के लिए यदि आवश्यक हो जैसे सामग्री का इस्तेमाल किया गया ट्रैक रिक्ति, आदि लेकिन ज्यादातर डिफ़ॉल्ट मान ठीक काम करेंगे। केवल एक चीज जिस पर हमें यहां विचार करना है वह है कीमत और समय। जैसा कि आप देख सकते हैं कि बिल्ड टाइम केवल 2-3 दिन है और हमारे पीसीबी के लिए केवल $ 5 की लागत है। फिर आप अपनी आवश्यकता के आधार पर पसंदीदा शिपिंग विधि का चयन कर सकते हैं।

चरण 3: अंतिम चरण Gerber फ़ाइल अपलोड करने और भुगतान के साथ आगे बढ़ना है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि प्रक्रिया सुचारू है, यदि भुगतान के साथ आगे बढ़ने से पहले आपकी गिब्बर फ़ाइल वैध है, तो PCBGOGO सत्यापित करता है। इस तरह, आप यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि आपका पीसीबी फेब्रिकेशन फ्रेंडली है और आपके लिए प्रतिबद्ध होगा।

PCB को असेंबल करना

बोर्ड के आदेश के बाद, यह कुछ दिनों के बाद करीने से भरे हुए अच्छी तरह से पैक बॉक्स में कूरियर के माध्यम से मुझ तक पहुंचा, और हमेशा की तरह पीसीबी की गुणवत्ता बहुत बढ़िया थी। मेरे द्वारा प्राप्त पीसीबी को नीचे दिखाया गया है। जैसा कि आप देख रहे हैं कि ऊपर और नीचे दोनों परत अपेक्षा के अनुरूप निकली हैं।

विआस और पैड सभी सही आकार में थे। पीसीबी बोर्ड को एक काम करने वाले सर्किट में इकट्ठा करने में मुझे लगभग 15 मिनट का समय लगा। इकट्ठे बोर्ड को नीचे दिखाया गया है।

हमारे 5V / 3.3V SMPS सर्किट का परीक्षण

घटक और परीक्षण बुनियादी ढांचा Iquesters Solutions द्वारा प्रदान किया गया था। हालाँकि, ट्रांसफार्मर हस्तनिर्मित है, आप अपने खुद के एसएमपीएस ट्रांसफार्मर का निर्माण भी कर सकते हैं। यहां परीक्षण के प्रयोजनों के लिए, ट्रांसफार्मर 1 ए के लिए बनाया गया है। एक दिए गए ट्रांसफार्मर विनिर्देशों के अनुसार 1.5A ट्रांसफार्मर के लिए उचित घुमाव अनुपात का उपयोग कर सकते हैं। जब कोडांतरण होता है तो हमारा एसएमपीएस बोर्ड ऐसा दिखता है।

अब हमारे SMPS बोर्ड का परीक्षण करने के लिए, मैं इसे Variac का उपयोग करके पॉवेरिंग करूंगा और आउटपुट वर्तमान को समायोजित करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक DC लोड का उपयोग करूंगा। नीचे दी गई छवि मेरे पुराने एडजस्टेबल डीसी लोड सेट-अप को हमारे एसएमपीएस बोर्ड से जुड़ा हुआ दिखाती है। आप अपनी पसंद के किसी भी लोड के साथ इसका परीक्षण कर सकते हैं, लेकिन एक एडजस्टेबल डीसी लोड का उपयोग करने से आपको अपने बिजली आपूर्ति बोर्डों का मूल्यांकन करने में मदद मिलेगी। आप इस लिंक का पालन करके आसानी से अपने खुद के Arduino आधारित एडजस्टेबल इलेक्ट्रॉनिक डीसी लोड का निर्माण कर सकते हैं।

जैसा कि आप नीचे दी गई छवि में देख सकते हैं, मैंने जम्पर पिन को बदलकर 5V और 3.3V दोनों के लिए हमारे SMPS सर्किट का परीक्षण किया। आउटपुट करंट को 850mA तक टेस्ट किया गया था लेकिन आप अपने ट्रांसफॉर्मर डिज़ाइन के आधार पर 1.5A तक भी जा सकते हैं।

परीक्षण और निर्माण के बारे में अधिक जानकारी के लिए, कृपया नीचे दी गई वीडियो लिंक देखें। मुझे आशा है कि आपने लेख का आनंद लिया और कुछ उपयोगी सीखा। यदि आपके कोई प्रश्न हैं, तो कृपया उन्हें नीचे टिप्पणी अनुभाग में छोड़ दें या हमारे मंचों का उपयोग करें।