Лабораторный источник питания = 2...20 В / 1 А с регулируемой стабилизацией напряжения и тока

Рейтинг:  1 / 5

Подробности

Категория: Блоки питания

Опубликовано: 23.03.2017 15:13

Просмотров: 3249

Д.В. Карелов, г. Кривой Рог
Благодаря использованию недорогой специализированной микросхемы, представленный в статье источник питания отличается высокими эксплуатационными характеристиками при малом количестве деталей, а использование вместо питающего трансформатора преобразователя для питания галогенных ламп позволило сделать его компактным и легким.

Имея в своем арсенале мощный и «серьезный» лабораторный источник питания, радиолюбителю часто не хватает еще одного, пусть маломощного, но имеющего режим стабилизации тока, чтобы, например, поставить на зарядку небольшой аккумулятор, проверить напряжение стабилизации стабилитрона и т.п. Как всегда бывает, когда вопрос назрел, на глаза попалась простая схема, описанная в [1]. Размещение схемы стабилизатора в рубрике «Дайджест» вызывало беспокойство, поскольку обычно схемы из такой рубрики либо не работали вообще, либо характеристики описанных устройств не соответствовали заявленным. Поэтому сначала был собран макет схемы стабилизатора с использованием имеющихся в наличии радиодеталей. К счастью, схема оказалась работоспособной, но теперь встал вопрос поиска подходящего питающего трансформатора, которого в наличии не оказалось. Зато имелся без дела лежащий преобразователь для питания галогенных ламп 220/12 В мощностью 60 Вт. Перемотав выходной трансформатор по методике, описанной в [2], удалось с успехом использовать этот преобразователь в качестве источника низкого напряжения для питания схемы стабилизатора. В результате получился лабораторный источник питания со следующими параметрами:
•  напряжение питания сети 220 В;
•  потребляемая мощность - до 35 Вт;
•  максимальное выходное напряжение - 20 В постоянного тока;
•  пульсации выходного напряжения - не более 20 мкВ;
•  максимальный выходной ток - 1 А постоянного тока;
•  регулировка выходного напряжения - плавная, в диапазоне 2...20 В;
•  тип токовой защиты - ограничение выходного тока;
•  регулировка ограничения тока - плавная, в диапазоне 60... 1000 мА;
•  индикация выходного напряжения/тока - с помощью аналогового микроамперметра.
Принципиальная электрическая схема источника питания показана на рис.1.
 
Напряжение сети 220 В через выключатель SA1 подается на вход преобразователя напряжения (ПН). С выхода ПН переменное напряжение поступает на выпрямитель, состоящий из диодной сборки VD1, включенной по схеме со средней точкой. Выпрямленное напряжение фильтруется конденсаторами СЗ, С4 и поступает на схему стабилизатора.
Основой стабилизатора является микросхема прецизионного регулятора напряжения DA1. Подробно состав этой микросхемы был рассмотрен в изданной ранее статье автора под названием «Лабораторный источник питания = 0... 15 В /1 А для использования при ремонте мобильных телефонов», поэтому здесь мы на ней останавливаться не будем, а рассмотрим лишь схему управления регулятором.
Цепочка R1R2 составляет делитель, формирующий неизменное напряжение на неинвертирующем входе V(-) усилителя ошибки регулятора DA1. С движка переменного резистора VR2 сигнал обратной связи по напряжению поступает на инвертирующий вход V(+) усилителя ошибки. Уменьшая рассогласование между входами V(+) и V(-), микросхема регулятора изменяет сигнал управления Vout, поступающий с выхода DA1 на внешний регулирующий элемент, состоящий из транзисторов VT1,VT2.
Резистор R7 является датчиком тока, с помощью которого формируется сигнал на вход CS DA1, имеющий уровень ниже, чем снят с выхода Vout. С движка переменного резистора VR1 снимается сигнал задания максимального тока на вход CL DA1. Пока разница уровней между входами CL и CS составляет менее 0,62 В, регулятор работает в режиме стабилизации выходного напряжения. С увеличением тока в нагрузке возрастает разница напряжений между входами CL иCS. Когда она достигнет 0,62 В, регулятор начнет снижать выходное напряжение, ожидая снижения выходного тока и не позволяя уровню CL превысить уровень CS более указанного значения. Таким образом, чем выше по схеме положение движка переменного резистора VR1, тем при меньшем значении тока нагрузки регулятор перейдет в режим ограничения, и наоборот.
Индикатором уровня выходного напряжения/тока служит микроамперметр РА1, переключаемый на индикацию напряжения или тока переключателем SA2. В связи с тем, что подобрать шунт, имеющий очень малое сопротивление, является довольно непростой задачей, было принято решение использовать в качестве шунта датчик тока R7, а для согласования его с измерительной головкой использовать добавочный резистор R т. Использование микроамперметра в качестве вольтметра особенностей не имеет. Для его согласования служит добавочный резистор Rдн . Назначение остальных элементов схемы очевидно.
Следует отметить, что предохранитель в цепи сети 220 В устанавливать не требуется, так как его функцию выполняет защитный резистор в схеме преобразователя напряжения.
Конструкция и детали
Компоненты схемы выпрямителя и стабилизатора спаяны на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита размерами 56x40 мм. Чертеж печатной платы показан на рис.2,
 
 схема расположения деталей на плате - на рис.3.
 
За исключением резистора R7, в конструкции использованы выводные постоянные резисторы мощностью 0,25 Вт. Резистор R7 - импортный, керамический, мощностью 5 Вт. Переменные резисторы VR1, VR2 типа СПЗ-4аМ или подобные. Конденсаторы С1 -СЗ керамические, С4 - электролитический с малым ЭПС, С5 - электролитический общего применения.
Диодная сборка VD1 взята из нерабочего компьютерного блока питания. Вместо нее можно использовать другие высокочастотные диоды или диоды Шотки, с допустимым прямым током не менее 1 А и обратным напряжением не менее 50 В. Хорошо себя показали, например, отечественные КД213.
В качестве выходного транзистора VT2 можно использовать подходящий мощный кремниевый транзистор обратной проводимости. В качестве VT1 можно использовать и менее мощный транзистор, например КТ3102Б, ВС546. Использование КТ815Г обусловлено конструкцией печатной платы: благодаря небольшим размерам и весу, плата легко удерживается на выводах транзисторов VT1, VT2 и диодной сборке VD1, которые закрепляются на общем радиаторе.
Микросхема DA1 может быть заменена аналогами, такими как МС1723С, НА17723.
Некоторую сложность может вызвать переделка преобразователя напряжения для питания галогенных ламп. Все операции с преобразователем рекомендуется производить, включая его в сеть через лампу накаливания мощностью 100 Вт, чтобы случайно не «сжечь» транзисторы преобразователя. Для расчета необходимого числа витков вторичной обмотки трансформатора TV1 нужно определить, какое напряжение получается на выходе преобразователя под нагрузкой заданным током. Для этого преобразователь включают в сеть, создают ему нагрузку током около 1 А и измеряют напряжение на выходе. В связи с тем, что из-за высокой частоты (около 30 кГц) измерительный прибор может показать это напряжение неправильно, лучше будет подключить к выходу нагруженного преобразователя мостовой выпрямитель на любых диодах, подключив после него фильтрующий конденсатор емкостью несколько десятков микрофарад, и измерить на нем полученное постоянное напряжение.
Теперь следует разобрать преобразователь, выпаять выходной трансформатор, разобрать его и размотать выходную обмотку, считая при этом количество витков. Рассчитав, сколько получается витков на вольт, нужно намотать свою обмотку эмалированным проводом диаметром 0,4...0,6 мм в два провода таким образом, чтобы число витков соответствовало =30 В. Если нет подходящего эмалированного провода, можно использовать одножильный кроссировочный провод в изоляции. Для демонстрации расчетов предположим, что мы измерили напряжение =14 В, число витков заводской вторичной обмотки трансформатора составило 21 виток. Тогда получим: 21/14=1,5 витка на вольт. Значит, для получения =30 В необходимо намотать 30*1,5=45 витков. Намотав обмотку в два провода, мы получили две секции, и теперь следует создать среднюю точку. Для этого нужно соединить начало одной секции с концом другой. Собрав трансформатор, его впаивают на место, предварительно просверлив отверстие для закрепления третьего вывода вторичной обмотки. Теперь можно припаять к выходу преобразователя выпрямитель по приведенной схеме и под нагрузкой проверить, какое постоянное напряжение получилось на выходе выпрямителя. Оно должно быть в пределах =25...35 В.
Как уже упоминалось, транзисторы VT1, VT2 и диодная сборка VD1 устанавливаются на один общий радиатор. Так как мощность, рассеиваемая на транзисторе VT2, может достигать 30 Вт, то радиатор должен иметь площадь рассеивания порядка 400 см2. При использовании меньшего радиатора следует использовать принудительное охлаждение, например, с помощью подходящего компьютерного вентилятора с напряжением питания 12 В. Вентилятор можно запитать от постоянного напряжения 30 В через цепочку токоограничивающих резисторов. Дополнительно можно подобрать и включить в цепь вентилятора низкоомный терморезистор, который следует прикрепить к радиатору. Это позволит снизить обороты вентилятора при малом нагреве радиатора.
Преобразователю напряжения дополнительное охлаждение не требуется. Его можно использовать в штатном корпусе.
Для индикации выходного напряжения/тока можно использовать любую измерительную головку стоком полного отклонения 50... 150 мкА. Если использовать измерительную головку с большим током полного отклонения, то ее следует подключать по классической схеме с использованием дополнительного шунта, иначе при подключении по предложенной схеме она будет влиять на параметры датчика тока R7.
Внешний вид готовой конструкции показан на фото. В качестве выходных разъемов источника питания использованы пружинные клеммы для подключения акустических систем. Переключатель SA2 использован типа П2К без фиксации. Он размещен в промежутке между выходными клеммами.
Сборка и наладка
При сборке схемы стабилизатора из исправных деталей он начинает работать сразу. Подбором номинала сопротивления резистора R5 следует добиться получения максимального тока ограничения равным 1 А, а подбором номинала резистора R6 изменяют плавность регулирования выходного напряжения.
Сопротивление добавочных резисторов Rдт и Rдн можно рассчитать по закону Ома. Сначала следует узнать ток Iи и напряжение Uи полного отклонения стрелки, которые можно измерить, подключив измерительную головку к гальваническому элементу через добавочный переменный резистор сопротивлением около 100 кОм, включенный потенциометром.
Тогда для полного отклонения стрелки прибора при токе в нагрузке Iн сопротивление добавочного резистора Rдт можно рассчитать по формуле:
Rдт = (IH*R7-Uи)/Iи.
Для полного отклонения стрелки прибора при измеряемом напряжении Uo сопротивление добавочного резистора Rдн можно рассчитать по формуле:
Rдн =(Uо-Uи )/lи .
Рассчитав номиналы резисторов, выбирают ближайшие меньшие значения из стандартного ряда. Немного увеличить сопротивление резисторов типов МЛТ, ВС или подобных можно, осторожно спиливая надфилем угольный слой с их поверхности. Таким образом и выполняют точную калибровку измерительного прибора. После этого следует покрыть лаком места повреждения добавочных резисторов.
Если есть необходимость расширить диапазон регулирования ограничения тока в меньшую сторону, необходимо увеличить сопротивление датчика тока R7. Но следует учесть, что следствием этого будет снижение максимального напряжения на выходе источника питания.

РА 2'2011
Литература
1. Дайджест. Стабилизированный лабораторный блок питания // Радиохобби. - 2005. - №6. - С.21.
2.  Янгалиев Н. Блок питания на основе преобразователя напряжения для питания галогенных ламп // Радио. - 2005. - №5. - С.36.