# 超牛逼電源供應器製作
## 設計規格
1. 六段電壓輸出($\pm3,\pm5,\pm7,\pm9,\pm12,\pm15$V)
2. 具有電壓微調功能(調整後各段輸出電壓小數點後第一位必須為0)
## 基本要求
1. 保險絲保護
2. 電源指示燈(包含在洛克開關)
3. 變壓器
4. 六段電壓切換
5. 自製電路板
6. 元件焊接
7. 裝箱測試
## 設計報告
### 一.直流電源供應器設計電路圖. ok
設計圖如圖一,先使用四個二極體作為全波整流後,用兩顆濾波電容分別過濾漣波及高頻雜訊產生漣波,由於漣波還不是穩定於一定值的直流訊號,我們再利用穩壓器317與337,將電壓穩定於一定值,搭配波段開關,切換不同電阻值,就可以切換穩壓的值,其中電阻都會與一電容並聯目的是要過濾掉高頻雜訊,連接337從ADJ至OUT的二極體可以提供放電路徑,避免短路時損壞317,而連結輸出與接地端的電容也是為了過濾由317產生的高頻雜訊,另外並聯的二極體則是保護電路提供放電路徑給斷電時線圈瞬間產生的電流.
### 二.各部電路工作原理分析及訊號變化. ok
交流電經由變壓器後由117V轉成18V的交流電,而電路的第一個電路部分為整流器,利用二極體單向導通的特性,可以設計一個全波整流器,我們採用全波整流,其漣波因數會較半波整流器更低,使我們的電源供應器輸入更為穩定,穩定後的波型應該是一個在0V到18V震盪的波型具體可觀察下圖二.
整流後的訊號可由電容來濾波,由於電容具有充放電的特性,因此當全波整流後的訊號通過時會維持在一個電壓水平上升(充電)下降(放電),此為漣波,而我們濾波的電容分為兩種,一種是過濾高頻雜訊的,由電容的特性知道對於高頻,容抗就越大,因此可以阻擋高頻訊號,另一個則是我們用來過濾整流後的訊號,使其穩定在我們要的電壓範圍中.
各訊號圖大致如下圖二.
最後LM317是一種三端穩壓器，他可以固定$V_{ADJ}$與$V_{out}$的電壓維持在1.25V,因此它的輸出電壓可以通過連接到調節（ADJ）接腳的兩個電阻來設定,根據datasheet如圖三,當$V_{in}-V_{out} \ge3或者\le40$即是317的工作條件,根據式(1)設計的要求可以知道,若可變電阻為50,電阻分別為$336\Omega,730\Omega,1104\Omega,1488\Omega,2064\Omega$,$2640\Omega$,即可得到要求的輸出電壓,且這些輸出電壓都符合317的工作條件.
LM337的工作條件與317類似,但由於其$V_{OUT}$與$V_{ADJ}$維持$-1.25V$的壓差,因此LM337的輸出如下式(2)
\begin{align}
V_{out}=1.25(1+\frac{R_{特定輸出所需的電阻值}}{190+R_{可變電阻值}})+I_{ADJ}R_{特定輸出所需的電阻值} \tag{1}\leftarrow可忽略
\end{align}

\begin{align}
V_{out}=-1.25(1+\frac{R_{特定輸出所需的電阻值}}{190+R_{可變電阻值}})+I_{ADJ}R_{特定輸出所需的電阻值} \tag{2}\leftarrow可忽略\end{align}


### 三.原理圖\布線圖 ok.
原理圖與布線圖皆以EasyEDA軟體繪製,用此軟體可將所需元件規格先選取,如1N4007,1N4148等二極體的規格以及317,337,甚至是電容的規格,如不同材質與耐壓的電容其大小皆不相同,我們可以確認我們實驗所需的規格如耐壓須超過18V的電容大小會有所不同,因此我們可以預先選取適合的電路元件,轉成佈線圖後,設置PCB版範圍為114mmx165mm我們將各元件擺放至如佈線圖的位置並使用自動佈線功能,一般而言,1mm的線寬可以承受1A的電流2mm可以承受2A,我們使用2mm讓我們的電路更不容易被燒壞,線路布置完成後仔細檢查是否有一些區域是線路不可經過的地方,以及波段開關連結各元件需要額外拉線和增設插孔,完成最後的微調.
下圖四為原理圖

下圖五為布線圖


### 四.光罩圖 ok
當我們的原理圖出來後,透過word以一般紙把圖片影印出來,確認圖片大小是否符合實際所需(114mmx165mm),若符合再以透明片將圖片印出來,可看見圖中邊界的十字,用於對準PCB板,置於曝光機中,以便我們將PCB板上不需要線路的地方,將這上方的感光劑曝光,在利用顯影劑把曝光域洗淨露出銅箔,要注意需要在陰暗處來進行顯影,接下來透過蝕刻後電路板上就只剩下未曝光的感光劑與被其保護的銅箔,因此可以留下我們設計的線路,中間的小熊維尼是用來確認光罩圖的正反面,透過這個圖形我們可以確定洗出來的PCB板沒有相反,相反的話對於某些元件或許沒有影響,但像317或337以及有極性的電容而且平行的擺放就會產生問題,如317的控制端與輸入端相反,而且沒影響的部分也會浪費時間在查找元件位置,光罩圖如下圖六.

## 實作報告與測試報告
### 一.電路選用規格,以及選用原因 ok.
從全波整流開始我們使用的二極體D1,D2,D3,D4為1N4007他能處理的最大電流為1A,並且崩潰電壓為1000V,較不容易發生二極體二極體的擊穿,雖轉換速度慢,但作為輸入端的整流非常可靠.
另外C1,C4選用3300uF的電容,他用於過濾低頻訊號,並且將全波整流的訊號處理成漣波的訊號,而C2,C3則因為低容值的原因,會將高頻訊號導入地端,消除高頻雜訊,
元件U1為317作為我們用於正端穩壓的裝置,其處理的訊號為輸入對地為正偏壓的訊號,另外用337作為負端的穩壓裝置,處理輸入對地為負的訊號,所以無法將其替換成317,317與337旁分別接上R25,D5與R26與D6. R25和R26為190電阻加上0到100變動範圍的可變電阻的組合,雖理想上只要這兩個電阻為240即可調出要求的電壓,但考慮迴路阻抗,以及電阻的變動範圍可能會導致誤差,根據式(1)我們可以調整可變電阻使輸出符合要求,而D5,D6使用的是1N4148二極體,他的切換時間僅4ns,最大反向電壓100V,,用在電路短路時提供電容C5,C6放電路徑,C5,C6為調整端的濾波電容,因其LM317會有一些暫態響應,根據datasheet圖七顯示,接上10uF電容都能有效降低這些響應,而我們的$V_{in}$與$V_{out}$都更大,因此使用22uF的電解電容.電阻的部分使用兩兩電阻串聯的方式組成$336\Omega,730\Omega,1104\Omega,1488\Omega,2064\Omega$,$2640\Omega$,輸出端會C7與C8則使用100uF的電解電容,要濾掉一些訊號的暫態變化,再接上D7與D8來保護電路,避免意外的反向電流流入接腳adj.


### 二.測試數據與討論
|正端正常電壓輸出| 正端最大電壓輸出 | 正端最小電壓輸出 |
|-|-|-|
| 3.000| 3.296 | 2.596 |
|5.113| 5.771| 4.219|
|7.267|8.288|5.858|
|9.18|10.52|7.324|
|12.46|14.364|9.858|
|15.528|17.902|12.204|

|負端正常電壓輸出| 負端最大電壓輸出|負端最小電壓輸出
|-|-|-|
|-3|-3.172|-2.81
|-4.894|-6.416|-4.518
|-6.916|-9.23|-6.33
|-8.701|-11.827|-7.93
|-11.752|-16.088|-10.663
|-14.575|-20.14|-13.198

當我們調整可變電阻及波段開關使正端輸出為3V時,其他段輸出都有出現誤差,導致其誤差的原因可能有兩個,第一個是迴路阻抗包含焊點以及波段開關鐵片間所提供的阻值,根據式(1),$R_{特定輸出所需的電阻}$會提高,另外一個是根據datasheet,$I_{ADJ}$大約在50uA到100uA,根據式(1)不忽略$I_{ADJ}R_{特定輸出所需的電阻值}$的情況下,雖然3V就算是100uA也提供不到0.0336的電壓,但當電阻越來越大,其提供的電壓也會上升,到了15伏會有0.264V,至少也有一個數量級的差距,因此對於正端電壓當電阻越大時會有偏離原本設定值越大的趨勢.
負端的輸出誤差原因也相似,但由於337的工作原理,根據式(2),輸出端對調整端會維持"-1.25V"的壓差,並且考慮被忽略的$I_{ADJ}R_{特定輸出所需的電阻值}$項,因此輸出的值會比設定值還要高一點.

### 三.電路板元件面以及焊接面 ok.
下圖八為實際洗出的電路板並且已將元件焊好的焊接面,焊接過程須注意避免連結到隔壁線路,以免發生短路,尤其337與317三個接腳極為接近,左上角的全波整流器因為焊接時溫度太高導致感光劑與銅箔黏上焊槍而剝落,因此焊上一整根錫替代銅箔.
下圖九為元件面,也是整個電源供應器內部的電路,各元件焊好後,將變壓器安置,並且將317與337裝上散熱器,確認無誤後,我們將洛克開關安裝在右上角,因為離全波整流與變壓器的輸出端較近,將保險絲與插座安裝在左下,不會被變壓器與大電容擋住,波段開關與輸出插孔安裝在左上角,整個電源供應器的作業大致完成.


### 四.設計與實作所遭遇的困難與解決方式 ok.
最大的困難是處理布線與實作上的衝突,雖然有自動布線功能可以節省時間,但考慮預留銅柱以及變壓器的空間,多次因調整線路而布線失敗,解決方法則是將預留空間先量好並將元件重新布置,另外需要額外拉線的地方要仔細注意,另外一個困難是測試電路時的除錯過程，有的時候訊號異常，會因為線路錯綜複雜找不到有問題的電路，可以利用二極體檔位量測是否電路出現短路，或電阻檔位確認電阻值是否正確，若電阻無故無限大，則可能是焊點不牢靠，沒有接觸到導線,因此進行補焊,才讓電壓得以穩定在合理區間.
### 五.改進與電源供應器2.0 ok.
以下為幾個需要改進的重點,若有2.0會仔細將下列問題改進.
1.在佈線時應該善用對稱,使電路在後期整理與除錯時較為簡單.
2.焊接時沒有將元件電線等焊的牢靠,以及部分電阻等元件懸浮於電路板,造成檢查電路除錯時容易拉扯導致脫落斷路.
3.電阻選用,由於輸出在越大時越容易與設定值偏離,因此在正端時可以依照式(1)以及考慮迴路阻抗來修正電阻的選取,越大輸出可以稍微將電阻降低約2~5歐姆.同理負端的輸出可選取更大的電阻來修正.
4.導線剪裁需預留足夠的長度讓電路板可以翻轉,才不會造成電路檢查的困難.
### 六.結論 ok.
完成後的電源供應器如下圖十與十一,經測試後,電源供應器的輸出未達要求的準確,影響電源供應器輸出的要素主要有迴路阻抗以及317,337本身的特性,除了設計前須先計算好,組裝和焊接等工作要精細謹慎,另外電路中的電容以及二極體等作為保護和濾波,也是決定訊號穩定以及是否耐用的元件,電源供應器的用途很多,最重要的功能是交流電轉換直流電,畢竟不可能使用交流電來讓執行"充電",舉凡手機筆電的充電,桌上型電腦其電供也是組裝選用的重點,而各種元件也必須有適當的配對,避免負載效應影響電壓輸出.