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[工仪] 自制开源数控电源(30V/4A)

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发表于 2019-2-15 19:32:34 | 显示全部楼层 |阅读模式

爱科技、爱创意、爱折腾、爱极致,我们都是技术控

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话说应该是N年前(2012)年,在一个论坛上看到一个数控电源项目,当时作者不仅把它做成了成品出售,而且还进行了开源,任何人都可以下载使用这个电源的设计。当时看的很心动,但是买成品觉得买不起,自己做当时也懒,觉得有点复杂也就放下了。

正好去年年底,有一天值班没事干,看见在电脑里沉睡了好久的资料,想想现在也没合适的电源用,于是就把它启动制作了。
伟大领袖M主席教导我们说:要想知道梨子的滋味,就得亲口尝一尝。我打算试验一把,看看是不是真的那么好用。毕竟认识从实践始,经过实践得到了理论的认识,还须再回到实践去。

下面是作者对这个电源的介绍:


我一直想再做一版更好的电源,可是一直事情太多就搁置了下来,最近事情不多,就抽时间做了第二版电源,我尽最大努力把它做好。我尽量详细全面的介绍给网友朋友们,使更多的没毕业的兄弟或者刚毕业的兄弟们也能参与进来。
我们到底需要一个什么样的电源呢? 我想基本上要做到如下几点:
1.要耐用,完善的保护功能,过流保护,过热保护都要有,负载向电源释放高压浪涌也可以吸收掉,寿命长,能在零下20度到零上50度环境长期工作。
2.要精确,在恒压时,就是我设定的是几V电压那输出就是几V电压,在恒流时,我设定的是几A电流那输出就是几A电流,我  们不可能做到绝对准确,但是要把偏差做到最小,设定的电压电流要和输出的电压电流的值基本一致,做到非常小的误差。不管负载是容性感性或阻性的,电压或电流都不变化,电源不振荡。
3.要有很强的抗干扰能力,想起公司有个电源就抗干扰性能就很差,当接上一个小电机负载时,显示屏就乱跳了,根本看不清显示的是什么,这就很让人很不舒服,所以我在设计这款电源时也着重的考虑抗干扰的问题。
4.电路要简洁,我们业余DIY的没大公司那么大的设计团队,没有大公司那么雄厚的资金支持,我们只能使电路尽量简化,使结构简单而又不删减重要的功能,尽量用现成的模块,尽量用IC代替分立元件,使思路更清晰,抽出更多的时间来构想电路结构、精选元器件,做到“简约而不简单”。
5.操作更人性化,更简单,我发现用户都不喜欢看说明书,喜欢拿来就用的产品,所以就尽量按照用户的习惯来设计操作方式,哪怕方式很笨很OUT也应该尊重大部分用户的习惯,总之设计就像按摩一样,客人不是在欣赏你舞姿和歌喉,客人要的是自然而然、飘飘欲仙的舒爽感觉。
6.功能一定要实用而不花哨,在工业现场经常要联网控制,所以就要加入串口通信功能。要有校准功能,用户可以自己用仪器校准电压电流。


电源基本参数:
输出电压:0-30V
输出电流:0-4A
电压最小分辨率:0.1V
电流最小分辨率:0.01A




这是电路图,电源的构架是采用线性串联稳压电路,利用MOSFET做调整管,STM32作为数控部分,输出模拟信号控制模拟稳压电路
CF-power2-MAIN.jpg


原作者提供了线路图、程序代码、PCB图,于是,照葫芦画瓢,根据原作者提供的pdf
仔细的学习了电路图,揣摩明白了工作原理
把PCB画了出来,零零星星今天画点明天画点,再查查错,纠纠误,大约用了1个月才完
SCH.jpg

PCB.jpg


PCB画好后,送去工厂打样,5天后快递把做好的板子送来了
其中,主板,基本按原作者的设计画的,显示控制板,自己设计的
原设计是一个细长条,我不喜欢,还是要紧凑一点好
拿到PCB发现主板真够大的,早知道用贴片元件,应该还能小不少

001.jpg

话说这个电源的核心,是采用STM32F103VCT6这个MCU
按作者的设计是为了方便采用外部基准电源
这家伙用的是LQFP100封装的,脚距比我以前焊过的其它元件都细小
话说,这是整个电源的大脑———领导机关要有正确的指导路线,遇事要拿出办法,以建立领导的中枢
这个一定要搞好,不能出问题
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先焊接不好焊的,这个SMT的贴片元件也应该是先焊的
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焊盘上刷一层松香水
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然后把芯片对位,仔细检查,对位良好
利用松香水的粘性,就把它粘上了
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焊接,采用经典的堆锡法焊接
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焊完一圈后,用吸锡带去除多余的焊锡
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稍式修整,确保没有短路,虚焊的地方
虽然100个管脚里没用多少
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清理焊盘,仔细检查
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俗话说,硬件是机体,软件是灵魂
制作计划是这样:将数控部分搭建完成后,烧录程序进去
看看是否正常工作,然后再搭建模拟部分,步步为营,逐级调试
程序这时还是2.1版的,后来坛友给我分享了2.3版程序,就升级成2.3的了
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显示控制板也制作完成,用开发板测试,工作正常
布线还是有点错误,但是不严重,可以飞线解决
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数控部分完成了,下面的工作就简单了,开始组装除功率元件外的其他元件
全都是直插元件,按部就班焊吧,也是利用每天晚上的时间零打碎敲,一块板焊了有1周
在元件的选择上面,
伟大领袖还教导我们说:当正确的政策方针制定之后,干部是关键
为了避免元件质量不佳造成故障,都是采用正品优质元件
除了接插件是拆机的
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主板大部分元件焊接完了,留下功率元件没有装
先用一个小变压器提供控制电源,检查有没有问题
通电没有烟花,没有焦糊,工作正常!
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又找了一个变压器先提供测试用的工作电源,接了一个功率管,
发现电源工作正常,庆祝安装作业一次成功!
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一切正常就好说了,工作继续
由于线性电源的调整管在工作中会发出相当的热量,最好能够通风冷却
下面,得找一个合适得散热器,不可能找到和原作者一样的
正好手上有一个老Pentium4的散热器,拿来试试,似乎合适
019.jpg

这个散热器两边有安装夹具的翅膀,正好可以利用它做固定
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定位,打安装孔
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钻孔,下面准备攻丝,打孔前,加一点润滑油
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将大功率管对位试试
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大功率管的管脚,需要预弯,这样才能方便安装
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安装对位试试
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结果就在要完工的时候,逛电子市场突然发现有更合适的散热器
于是买了一块回来,发现要比这个CPU散热器更好用
无论尺寸还是散热能力都更胜一筹,于是,前面的部分工作就浪费了
开始加工新散热器
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由于钻孔深邃,需要清除钻孔中的碎屑
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攻丝!
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加油!
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再攻丝!
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攻丝是有损失的,这不,贪多冒进,损失丝锥一根
攻丝,虽然是简单的工作,但是也有窍门:
首先,钻孔尺寸要合适,不能太小
其次,不能贪多冒进,我习惯钻进2圈退一圈,随时清理碎屑
一般攻5圈,退出来清屑,加油,再钻进
遇到阻力,就退出来清理,然后再钻
断的这根,就是遇到阻力,想着马上就到终点了,可以再攻一下
结果就断掉了
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拧上铜柱
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定位功率器件的位置,钻出固定孔,并攻出螺纹
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安装功率元件,大功率管后面不是绝缘的,需要加装云母片绝缘,抹导热硅脂
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安装散热器组件,尺寸刚刚好
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散热器下,还有一个温度敏感元件,这里用的是LM35,
用来检测散热器温度,在散热器温度过高时,会自动启动风扇加强散热
是一个非常方便的设计
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应该说是我画板失误,LM35摆反了,应该是平面向上贴敷散热器
现在变成了曲面向上啦,这样和散热器接触面积就小了很多
不过,经实践发现,影响并不大,不影响自动风扇工作
049.jpg

最终,散热器安装完成的样子
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再安装主滤波电容,这也是一个大家伙
选用的是北京元十的电容,国货当自强嘛,至此,主板基本就完工了
除了串口部分电路预留未装外,现在电源的主体电路已经完成,通电就可以工作了
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用临时变压器通电测试一下,不错不错,工作正常
初步实现电压电流可控
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电路板制作完成了,主体工作完成了一大半
下面该变压器登场了,这个电源采用多绕组变压器,低压侧调压减少功率管损耗
于是专门去订做的变压器,订做的时候变压器厂的人直挠头,怎么这么多绕组哇
相对原来的设计,我这个变压器稍微做了些许修改
取消了串口供电绕组,适当提高部分主绕组输出电压
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接上变压器,理论上讲,这个电源就可以正常工作了
通电看看,自制数字电压表测量一下
这是4位半的数字电压表,经过检验算比较精准的
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既然主变压器就位了,现在电源可以正常工作,那么就先
进入校准模式先进行校对,校正电源的输出,按程序设计,先校正电压,再校正电流
连按数下校准键进入校正模式
这是0.1V输出

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继续校准30V输出
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校准电流,先走0.1A
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然后是最大电流校正,4.0A
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校准完成后,进性输出测试,
外置电流表采用Isabellenhuette 4线采样电阻,阻值0.01Ω

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输出电流,基本算是精准的,这个电源的采样电阻小,没有用专门的仪表运放
所以,电流显示误差要比电压显示误差略大一些,但是,不超过5个字,也就是5mA
对于日常应用来说,完全没影响,需要精密测电流,还有万用表呢
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进行负载测试,第一个负载是手提吸尘器的电池,用来给电池充电看看
电池是18V 3.4Ah的锂电池,从没电充到满,恒压限流充电
工作正常,很满意

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至此,这个电源的主体电路部分就已经完成了,可以说已经能够正常工作了
下面,准备进行下一项重要的作业,就是为这个电源找一个合适的外壳
在这期间,陆陆续续花费了2个多月,2019年悄然来临了


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 楼主| 发表于 2019-2-15 19:33:02 | 显示全部楼层
工作进行到了这里,电源的构架已经出来了,下面,该进行装壳作业
去本地的电子市场转了转,没有中意的机箱,有的话也太贵,就买1个人家还爱答不理的
还是找X宝吧,很快找到一个大小适中的铝合金机箱,虽然不便宜,
不过价钱相比实体店来说,算是公道很多了
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上下左右都是螺丝固定,可以很方便拆卸
这个角,是快递的杰作
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装进去试试,尺寸,是刚刚好的
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比比划划,确定各部件的位置
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设计思路确定了后,正式开始金属加工作业,
先从面板开始,定位,钻孔
两把电钻,外带一把钻头,开工!
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金属构件钻孔,一定不要忘了加油
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下面准备开数码管的安装孔,先划出轮廓
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这是突发奇想,用电钻挂切割片开的,开完就后悔了
不仅极度危险,而且其丑无比
话说,做创伤医生可没少处理角磨机伤,深知其痛苦
因此无比小心谨慎作业,身体发肤,受之父母,不敢毁伤
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锉刀修整,这里失误了,用切割片开孔,又费力又丑
没得办法,大板锉粗刮,小圆锉细磨,可算有点模样
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面板制作完成后,需要为这个电源制作一块专属的显示控制板
指示灯颜色选用白色,轻触开关也用长柄的
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焊好之后对比一下
按钮和旋转编码器都没有安装呢
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位置刚好
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进行测试,新制作的显示控制板工作正常
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用于指示量程设置的LED需要定位,
这里的窍门是:于是先把板装上面板,然后将指示灯对好位后再焊接
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最终,显示控制板制作完毕
其中,面板上,只安装3个键,分别是 启/停 电流/电压切换 以及锁定键
还有一个校准键,不常用,安装在反面机箱内部,避免误碰
发现白色的数码管,真是漂亮
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装入机箱看看效果
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前面板制作完成了,开始后面板的制作。
后面板上有两个部件,电源插座和冷却风扇,
需要开两个大孔,先画线定位
没有开孔器,也没有CNC,只能手工开孔
计划是打一圈小孔,然后去除中心部分后,再修整成一个大孔
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用冲子打出定位孔
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开钻开钻
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钻孔完成后,间断洞孔间的连接
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毛坯成型,还是费了一番力气
伟大领袖又教导我们说:身体是革命的本钱
擦擦手,喝杯水休息一下
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锉刀兄弟加油!
为什么在盒子里加工?
因为金属碎屑飞溅,过去在桌子上铺报纸,仍然撒的满桌子都是碎屑
这回在盒子里加工,干净卫生,利国利民,观察发现桌上的碎屑至少减少了90%
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开好一个,还可以吧
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安上试一试
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如法炮制加工风扇孔,这是完工的样子
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前后面板完成后,只剩下一块底板了
相比之下,底板上只有主板和变压器安装孔,散热进风孔
简单多了
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画线定位进风口
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钻孔作业完成后,可以开始总装了
先在底板上拧上铜柱
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安装电源变压器和主板,这是主机芯
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装入机箱
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焊接输出接线,用的是2.5平的硅胶线
考虑到这个电源今后的负载经常是无线电发射设备,为了避免干扰
加了一个磁环

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安装输入电源线,这是地线
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装上面板的样子
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嗯,对,后面还有风扇没有安装
至此,电源就基本完工了
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电源是搞定了,还需要一副合适的输出线缆
电子市场的电源夹子线报价8元,线细得可怜,
还是自己动手制作吧
准备:4mm香蕉插头2个,2.5平硅胶线红黑各1.5m,鳄鱼夹一对
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硅胶线还是不错的
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安装起来,均采用焊接方式连接
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做好啦
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试试,效果很好,这要比买的线强多了
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至此,盖好上盖,电源就初步完工啦
看看日子,现在是初二晚上
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现在,全部作业已经完成了
可以放松下来休息一下,回顾一下前面的制作过程,检查有没有错误的作业,并积极予以纠正
准备到下一个检测试验环节


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 楼主| 发表于 2019-2-15 19:33:30 | 显示全部楼层
伟大领袖教导我们说:世界是在进步的,前途是光明的。
下面需要仔细查看制作好的电源,看看是否能够正常工作
首先,看看输出电压是否可控,设置输出是否与实际输出一致,实际输出是否和显示输出一致
从低的开始,逐级升高
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可以看出,电压输出测试结果不错,误差不大
下面对电流进行测试,原则和电压测试一样
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电流控制稍有差强人意,尤其是小电流的时候更是如此,比如我设置100mA输出
但是实际输出是137mA,设置200mA输出,实际输出230mA,但是显示基本是精准的
估计因为采样电路的原因,毕竟50mΩ的采样电阻非常小,要是采用仪表运放做电流采样可能会更好
电源最大输出电流4A,恒压恒流自动切换,可以随意短路,短路电流就是设定电流
不用担心损坏电源,可以随意短路。不过,这毕竟会对电源造成冲击,没事还是不要短路的好
168.jpg

用12V灯泡带载试试,想怎么调就怎么调
170.jpg

测试一下纹波,线性电源纹波应该较开关电源好很多
169.jpg


至此,这个电源就算完工了,算一算,拖拖沓沓,停停走走制作了大约4个月时间
这是最后完工的样子
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既然制作完了,那么就总结一下
首先算算成本:变压器¥150 PCB¥60 机箱¥99 散热器¥25 元器件杂七杂八这些大约¥50
再算上其它成本,总计大约¥400左右,不过,我记得当年的成品好像是698还是多少来着,算是少很多了

再说使用,目前经过实践检验,这个电源工作起来还是很顺手的,测试了各种负载,包括电机,电台,功放,都可以正常工作
长时间工作也试过了,发热量可以接受,没有出现烧损,过热
美中不足的是,前面板数码管显示窗还没有着落,等过几天有时间,再去有机玻璃店找点有机玻璃碎料制作显示窗吧

最后,按照开源的原则,提供制作资料,没有改动,这都是原作者提供的,在此感谢原作者的无私奉献
11-11-05最新版程序 .rar (590.49 KB, 下载次数: 298)
CFpower2.1-KB.rar (24.39 KB, 下载次数: 275)
CF-power2.rar (612.11 KB, 下载次数: 467)
CF-power2-MAIN.rar (179.05 KB, 下载次数: 349)
变压器参数.jpg



电源最新是2.3版本的,这是2.3版的资料,也是咱们一位坛友提供给我的,对此深表感谢!
相较2.1版,多了3个电阻,建议大家可以按这个制作
数控电源 2.3版程序.rar (1.22 MB, 下载次数: 570)

全文完,谢谢观赏!




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发表于 2019-2-15 19:59:36 | 显示全部楼层
楼主动手能力强
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发表于 2019-2-15 20:06:08 | 显示全部楼层
真是太厉害了,牛B
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发表于 2019-2-15 20:07:20 | 显示全部楼层
谢谢分享,很好很强大!
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发表于 2019-2-15 20:08:30 | 显示全部楼层
做的真不错,不过价格估计也不便宜。
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发表于 2019-2-15 20:10:20 | 显示全部楼层
楼主好手艺
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发表于 2019-2-15 20:19:06 | 显示全部楼层
2n3055 发表于 2019-2-15 19:33
工作进行到了这里,电源的构架已经出来了,下面,该进行装壳作业
去本地的电子市场转了转,没有中意的机箱 ...

再弄个不干胶贴纸,打印出文字图形,就更加有专业范了
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发表于 2019-2-15 20:33:13 | 显示全部楼层

谢谢分享,很好很强大!
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发表于 2019-2-15 21:31:35 | 显示全部楼层
你这也太复杂了,送我我也不想玩啊!支持楼主精神可嘉。
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发表于 2019-2-15 22:24:46 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
春风电源,楼主做的不错。
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发表于 2019-2-15 22:32:33 | 显示全部楼层
这个厉害了,散热浙大大
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发表于 2019-2-15 23:00:16 | 显示全部楼层
这个太复杂了做不来啊
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发表于 2019-2-16 02:05:59 | 显示全部楼层
2n3055 发表于 2019-2-15 19:33
工作进行到了这里,电源的构架已经出来了,下面,该进行装壳作业
去本地的电子市场转了转,没有中意的机箱 ...

应该使用TIF屏或OLED屏,这个数码管有些丑!!!!!!
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发表于 2019-2-16 03:44:30 | 显示全部楼层
1,小电流有几十ma误差这样可不好,对于数控电源来说不能忍受
2,只看到短路电流,没看到带载测试真正恒流,比如最小1V或者30V时电流是否稳定在设置电流0-4A,
3,功率管设计位置时应该露出型号丝印,
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发表于 2019-2-16 12:03:52 | 显示全部楼层
面板布局有点丑,而且偏到一边,另一边空荡荡的

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发表于 2019-2-16 12:50:02 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
春风设计的电源不错
可惜后面最好的版本被阿莫搞砸了。

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发表于 2019-2-16 13:18:09 | 显示全部楼层
看着真够复杂的
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发表于 2019-2-16 13:36:45 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
有技术的人惹不起。
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