Projeto de fonte de alimentação - Reguladores de tensão múltipla

Estou tentando criar uma fonte de alimentação DC de bancada para alimentar pequenos projetos, placas de ensaio, arduino etc. Esta é uma lista do que eu quero dele:

• Trilhos de tensão fixa para 24V, 12V, 9V, 5V e 3.3V
• Edit: Requisitos atuais: 1A ficará bem, 2A ficarei feliz e em qualquer lugar próximo ao 3A completo em oferta a partir do bloco de energia do laptop que estou usando (veja abaixo) será ótimo.
• Trilho de tensão variável de ~ 0V a ~ 24V
• Modulação da largura de pulso no trilho variável
• Painel voltímetro no trilho variável
• LED indicador de energia
• Portas USB para carregar dispositivos USB
• (Outras coisas que não estão relacionadas a essa pergunta, como métodos selecionáveis ​​para lidar com picos de tensão transitórios do uso de PWM para alimentar cargas indutivas, faixas de frequência PWM ajustáveis, etc.)

Usarei um bloco de energia de laptop de 240V AC a 24V DC capaz de produzir 3A.

Para produzir as tensões desejadas, pretendo usar um regulador de tensão linear para cada trilho, cada um recebendo entrada de 24 V do bloco de potência. Uma visão geral da minha configuração pretendida é mostrada abaixo.

O circuito PWM que vou usar será alimentado a partir do trilho de 12V. As portas USB sairão do trilho de 5V. O LED indicador de energia (não mostrado) provavelmente sairá do trilho de 3,3V.

Aqui estão as minhas perguntas:

1. Estou assumindo que os reguladores de tensão devem estar em paralelo, cada um recebendo a entrada total de 24V, mesmo que haja uma grande diferença entre entrada e saída para alguns deles (por exemplo, 24V a 3,3V). Pensei em colocá-los em série para que a saída de 12V do primeiro regulador alimentasse o regulador de 9V que alimentaria o regulador de 5V e assim por diante, mas o circuito de cada bloco regulador no meu diagrama acima dividiria uma certa corrente, deixando-me com muito pouco da entrada máxima de 3A para os trilhos de baixa tensão. Isso está correto? Também estou assumindo que as maiores reduções de tensão necessárias para o arranjo paralelo, como mostrado, produzirão mais calor do que em série, mas cada regulador terá um bom dissipador de calor gordo e tudo estará encerrado em algo com pelo menos um ventilador ou dois e muitos furos para ventilação.
2. O trilho de tensão variável será controlado com um potenciômetro em um regulador de tensão variável (LM350). Devo usar diferentes reguladores de tensão fixa para meus trilhos de tensão fixa ou usar um LM350 para cada um deles e definir suas saídas com resistores fixos ou potes de compensação?
3. Como a fonte de alimentação do laptop que eu já estou usando saídas 24v, devo conectá-lo diretamente a um terminal de saída para o meu trilho de 24V ou devo também colocar um regulador de tensão lá? Idealmente, não faria sentido regular 24v a 24v, mas não tenho certeza de quão confiável é a voltagem de um bloco de potência de laptop. Eu nem tenho certeza de que você pode sair de um regulador exatamente o que você coloca - deve haver uma queda de tensão ao longo do caminho. Se necessário, existe outra maneira de garantir uma saída constante de 24V?
4. Eu vi um tutorial em algum momento atrás, em que alguém conectou um voltímetro a uma fonte de alimentação, mas as instruções mencionadas usando uma bateria de 9v e um relé para alimentar o voltímetro, em vez de extrair energia diretamente das partes internas da fonte de alimentação. Devo fazer isso? Não havia nenhuma razão fornecida no tutorial que li. Como mencionado acima, eu iria extrair energia do barramento de 12V.
5. Falta alguma coisa que possa ser considerada essencial para o design de uma fonte de alimentação? Algum tipo de recurso de segurança? O LM350 parece ser classificado para 3A e possui proteção de sobrecorrente embutida. Também adicionarei fusíveis a cada trilho. Isso será adequado no caso de um curto-circuito dentro de qualquer carga externa (por exemplo, tábua de pão mal conectada, etc.)

Concordo com os outros que os comutadores são uma escolha melhor em termos de eficiência, mas podem ser um pouco complicados de lidar, se você é inexperiente, e pode haver muitos efeitos estranhos que não são imediatamente óbvios (afundamento de pré-carga, frequências de batida etc.) que podem dificultar a vida. Supondo que você tenha descoberto sua dissipação de energia e saiba quanta corrente cada trilho pode fornecer, se as linhas lineares funcionarem para você, fique com elas (pelo menos na primeira passagem).

Se você está tentando obter uma saída de onda quadrada de amplitude variável em seu trilho ajustável, o corte pode introduzir ruído no trilho principal de 24V, o que pode aparecer nos outros trilhos. Convém ter um filtro LC entre o trilho principal de 24V e a entrada do regulador para fornecer isolamento de alta frequência e provavelmente precisará de capacitância extra na saída ajustável do regulador (cerâmica eletrolítica a granel e cerâmica de baixa impedância), se você espera bordas de onda quadrada para serem nítidas.

1, 5) Existem alguns perigos no seu esquema.

A dissipação de energia nos reguladores lineares será

$(V_{out} - V_{in}) \cdot I_{out}$

o que é significativo, especialmente para os trilhos de saída mais baixos. Os reguladores do tipo 78xx possuem proteção térmica embutida em torno de 125 ° C e (sem dissipação de calor) uma resistência térmica de junção ao ar de 65 ° C / W. Seu gerenciamento térmico será desafiador.

$I^2 \cdot t$

2) O que quer que flutue no seu barco.

4) Medidores não são cargas enormes. Basta usar um dos seus trilhos.

3) Correto - todos os reguladores têm requisitos de altura livre. Se você deseja o máximo de 24V, precisará de uma conexão direta e precisará confiar nas proteções intrínsecas fornecidas pelo tijolo.

Você não mencionou os requisitos de saída atuais, mas o maior problema que você terá é a dissipação de energia. Recomendamos que você considere o uso de reguladores de comutação para 12V, 9V, 5V e 3V3 e, se necessário, use-os para gerar 13V, 10V, 6V etc. e possui reguladores lineares de baixa queda (LDO) para reduzir a queda à tensão final necessária.

Os benefícios são uma dissipação de calor significativamente menor no projeto e saídas de corrente mais altas, especialmente em 3V3 e 5V.

1) Os reguladores podem ser em série ou paralelo, mas será o regulador de 12V que gera a maior parte do calor se usar regs lineares em série. Se usar comutadores, desde que eles possam operar com uma entrada em 24V +, o paralelo provavelmente será melhor, mas se você encontrar um comutador de 12V realmente decente e retirar os outros comutadores / LDOs de baixa tensão de sua saída, isso também funcionará.

2) Eu usaria comutadores e LDO linear (opcional)

3) eu ligaria diretamente

4) Não entendo esse ponto, mas também não vejo como pendurar um medidor na saída como um problema.

5) Adicione fusíveis antes dos reguladores, se necessário, mas é provável que a maioria dos reguladores tenha proteção de sobrecorrente facilmente adicionada, se não intrínseca ao dispositivo. Eu posso ficar tentado a rodar o USB a partir do seu próprio circuito de reg de 5V. Também posso ficar tentado a fornecer um trilho de -9V (ou -12V ou -5V).

EDIT - eu provavelmente colocaria um LED em cada saída