Стабилизатор напряжения 13,8V 10A

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: БП для трансивера

Опубликовано: 21.02.2018 19:33

Просмотров: 4387

Н. Логиш (LY2BTB) г. Вильнюс, Литовская Республика.
Импортные KB и УКВ станции как правило, требуют напряжения питания 13,8 В с токами потребления 10 А и более.
Предлагаю схему стабилизатора напряжения для питания такой аппаратуры.
Технические характеристики стабилизатора
Выходное напряжение, В___________________________________________________13,5
Максимальный ток нагрузки, А________________________________________________10
Амплитуда пульсаций выходного напряжения при максимальном токе, мВ______________1,5
Коэффициент стабилизации, не менее__________________________________________3000
Порог срабатывания защиты по току, А__________________________________________14,2
Порог срабатывания по превышению напряжения, В_______________________________14,6...14,9
Минимальное входное нестабилизированное напряжение при максимальной нагрузке, В__18,0
КПД стабилизатора__________________________________________________________67%

Предлагаемый стабилизатор напряжения, функциональная схема которого изображена на рис. 1, имеет сравнительно небольшое количество компонентов, обеспечивая высокие электрические и эксплуатационные характеристики. Основными функциональными узлами стабилизатора напряжения являются:
- сетевой фильтр в цепи 220 В;
- нестабилизированный источник;
- регулирующий транзистор (VT2) с управлением ОУ;
- узел защиты;
- служебный источник (питание ОУ и Uoп).
В целом стабилизатор напряжения (рис.2) выполнен по компенсационной схеме на ОУ.

Такого рода схемы часто описывались в литературе, например в [1]. Стабилизатор имеет защиту от КЗ и от превышения выходного напряжения. Для питания ОУ и узла задания опорного напряжения применен микромощный стабилизатор 78L12C, (78L15C или КР142ЕН8Б).
Остановлюсь на некоторых "изюминках" стабилизатора. Защита по току собрана на транзисторе VT3 и элементах С10, R5...R8 и работает следующим образом. Если токовая нагрузка превышает установленный порог (например режим КЗ), падение напряжения на переходе база-эмиттер VT2 и резисторе R8 открывает транзистор VT3, понижая напряжение на базе VT1, что в свою очередь ведет к закрыванию регулирующего транзистора VT2 и пропаданию напряжения на выходе стабилизатора. Происходит все это лавинообразно и очень быстро. После срабатывания защита находится в таком состоянии до тех пор пока не будут устранены причины КЗ, после чего стабилизатор автоматически самовосстанавливается и переходит в режим стабилизации напряжения. График, иллюстрирующий работу системы защиты по току, показан на рис.3.

Следует отметить, что защита спроектирована так, что ток КЗ составляет пренебрежимо малую величину — около 50 мА. Конденсатор С10 повышает четкость срабатывания защиты и обеспечивает возврат схемы в исходное состояние.
Настраивается защита подбором резисторов R5 и R6. Падение напряжения на переходе база-эмиттер VT2 и резисторе R8 открывает VT3, а падение напряжения на резисторах R6, R7 закрывает VT3. Не рекомендую ставить в эти цепи подстроенные резисторы, т.к. они "дребезжат" и имеют большой температурный дрейф.
Защита от превышения выходного напряжения в случае выхода из строя транзистора VT2 собрана на тиристоре VD9, стабилитронах VD7, VD8 и конденсаторе С15. Работает она следующим образом. Если напряжение на выходе увеличилось выше порога, на который настроена защита, открываются стабилитроны VD7, VD8, и на управляющий вход тиристора VD9 подается напряжение. VD9 открывается и закорачивает выход блока, в результате чего перегорает предохранитель FU3 (15А), и напряжение на выходе блока пропадает, защищая тем самым подключенный аппарат от выхода из строя. Настраивается защита подбором стабилитронов VD7, VD8 на суммарное напряжение стабилизации равное 14,6...14,8 В. Стабилитроны КС162 (КС168, КС175, КС191) имеют неплохие параметры как по току стабилизации, так и по температуре.
Их можно заменить любыми другими стабилитронами, подобрав суммарное напряжение стабилизации около 14,5 В.
Сетевой фильтр позволяет существенно снизить помехи, проникающие через питающую сеть. Им может служить готовый, промышленного изготовления, рассчитанный на мощность около 200 ВА. Трансформатор питания Т2 - промышленный, типа ТН61-200-50. Если сеть 220 В стабильна, можно несколько снизить входное (нестабилизированное) напряжение. При этом будет меньше греться выходной транзистор VT2. Делается это так: вывод 14 трансформатора Т2 отсоединяется от вывода 13 и соединяется с выводом 12, а выходной провод с вывода 16 переносится на вывод 15. Тем самым переменное напряжение уменьшается примерно на 2,3 В. Помните, что минимальное входное напряжение данного стабилизатора при токе нагрузки 10 А составляет около 18,0 В, т.е. при минимуме напряжения питающей сети (198 В) нестабилизированное напряжение не должно опускаться ниже 18,0 В. Если это не учитывать, то в выходном напряжении возрастает величина пульсаций или даже срабатывает защита от КЗ.
Стабилитрон VD5 типа КС191 применен с целью уменьшения выходного напряжения ОУ (DA2) при питании его от однополярного источника + 12 В. При выходном напряжении 13,5 В на базе транзистора VT1 необходимо иметь напряжение под нагрузкой (10 А) около 16 В, а ОУ при однополярном питании может выдать максимум 11,0...11,2 В. Чтобы поднять это напряжение и стоят стабилитрон VD5 и резистор R3. Теперь на выходе ОУ напряжение под нагрузкой поднимается максимум до 10,5 В. Следовательно, ОУ работает в активной области своих выходных напряжений. Одновременно резистор R3 обеспечивает легкий запуск стабилизатора при любой нагрузке до 10 А.
На основе данного стабилизатора разработан и изготовлен блок питания в корпусе размерами 160x195x235 мм. Выпрямительные диоды установлены на общий радиатор (через слюдяные прокладки) с площадью около 350 см2. Диоды могут быть типов КД2999, КД2997 с любым индексом. Конденсаторы С4...С7 смонтированы прямо на стойках, к которым подключаются выводы диодов, установленных на радиаторе. Конденсатор С9 и резистор R2 смонтированы на клеммах конденсатора С8. Транзистор VT2 установлен на ребристый радиатор (задняя стенка блока) площадью около 1500см2 из алюминиевого сплава. На транзистор VT1 установлен радиатор "звездочка". Резистор R8 выполнен из провода ПЭТВ2-0,75 и состоит из 7...9 витков, намотанных на оправке диаметром 8 мм. Можно применить резисторы С5-37 по 0,1 Ом, 5 Вт (2шт. в параллель). Параллельно предохранителю FU3
(15 А) на передней панели установлены светодиод VD10 и резистор R10. Сделано это по двум причинам: во-первых, есть индикация перегорания предохранителя; во-вторых, при перегорании FU3 через эту цепочку течет малый ток, следовательно, эмиттер VT2 не "повисает" в воздухе (транзисторы Дарлингтона этого не любят), и если нет нагрузки - стабилизатор работает. При подаче нагрузки срабатывает защита от КЗ. Амперметр РА1 или его шунт надо установить в цепь " + " выходной клеммы до точки подключения цепочки резисторов R12...R14. Вызвано это тем, что надо учесть неизбежное падение напряжения на проводах этих элементов.
Чтобы исключить появление разного рода возвратных токов в проводах, силовые цепи питания нестабилизированного источника необходимо соединять как показано на схемах (рис.1 и 2). Генератор тока на VT4 можно подобрать из транзисторов КПЗ0ЗГ без резистора R9, соединив затвор с истоком накоротко.
Резистор R13 — типа СП5-16ВГ или аналогичный. Конденсатор С10 не должен иметь заметных утечек. Конденсатор С8 — импортный, но может быть и К50-18 22000мкх25 В или 22000мкх50 В. Конденсаторы Cl, C2, СЗ могут быть типов К73-11, К73-17, К78-2. Все резисторы — типа МЛТ 0,125; 0,25 Вт. При некотором ухудшении параметров блока можно вместо VD6 применить КС191 с любой другой буквой, исключить из схемы VT4 и R9, заменив их резистором 1,3 к. ОУ DA2 можно использовать К140УД7. Можно исключить сетевой фильтр и емкости С4...С7. Можно отказаться и от стабилизатора DA1, соединив "+" питания ОУ и сток транзистора VT4 с плюсовой шиной 13,5 В. В целом стабилизатор будет работать так же, но более капризной становится настройка защиты от КЗ.
Печатная плата стабилизатора напряжения приведена на рис.4.

Выполнена она на одностороннем фольгированном стеклотекстолите толщиной 1,5 мм. Для подсоединения проводов на плате заклепаны пистоны (или лепестки) с внутренним отверстием диаметром 3,5 мм. Печатная плата в блоке питания установлена вертикально на уголках. Силовые цепи блока питания проложены проводом с сечением не менее 1,5 мм2.
 

Налаживание блока питания. Предварительно отбирают по току транзистор VT4 и стабилитроны VD7, VD8. Устанавливают на плату транзистор VT4 и -стабилитроны VD7, VD8, тиристор VD9 и емкость С15. Далее, с применением источника питания с ограничением тока, например ТЕС-88, и цифрового вольтметра проверяют порог срабатывания защиты от превышения выходного напряжения. Если этот порог большой, вновь подбирают один или оба стабилитрона, добиваясь срабатывания защиты при 14,6...14,9 В. Далее собирают и проверяют выпрямитель и фильтр, после чего соединяют их с платой и проверяют стабилизатор в целом. Установка напряжения 13,5 В производится резистором R13.
Проверяется работа блока на нагрузку. Желательно параллельно нагрузке подключить осциллограф. При правильном монтаже блок запускается сразу. В случае если блок не запускается, необходимо провести тщательную проверку всех радиоэлементов и ОУ. Необходимо проследить как закреплен транзистор VT2 на радиаторе и обязательно использовать теплопроводящую пасту, например КПТ-8. Если блок "держит" нагрузку, приступают к регулировке тока срабатывания защиты. В авторском варианте при указанных на схеме резисторах защита срабатывает при токе 14,2 А. Если возникает необходимость изменить порог, надо включить вместо R5 переменный резистор величиной 33 кОм и выставить необходимый ток срабатывания. Будьте осторожны при выборе значения тока срабатывания защиты. Если переусердствовать, может наступить такой момент, когда блок питания не запустится и на номинальную нагрузку [2]. Данная защита срабатывает четко при токах КЗ больше номинального на 35...40%. Может случиться, что при некоторых токах, близких к току КЗ, защита войдет в релаксационный режим. Тогда надо уменьшить сопротивление резистора R6, например до 9,1к, и вновь повторить настройку. И еще одно предупреждение: менять номиналы резисторов R4, R7 и емкости С10 нельзя. Иногда может потребоваться подбор в сторону уменьшения резистора R3, но это бывает редко. Транзистор VT1 можно заменить на КТ961 А, в крайнем случае — на КТ815Б. Критерий выбора VT1 — допустимый 1к>0,5 А при 1)кэ нас<0,3 В. В качестве VT3 лучше всего работает КТ3117А, но работают и КТ630Б, КТ3102Б. В качестве регулирующего применяют транзистор КТ827 с любым буквенным индексом. При его замене надо помнить, что это транзистор Дарлингтона, замена его например двумя транзисторами 2N3055 вызовет полную перерегулировку и необходимость подбора резисторов R5, R6, а иногда и R3, т.к. изменяется падение напряжения на переходе база-эмиттер регулирующего транзистора. Режимы транзисторов, измеренные при холостом ходе и под нагрузкой 10 А, даны в таблице. Несколько увеличить КПД стабилизатора можно увеличив емкость фильтра С8 до величины 40000 мкФ и более. Подробнее об этом - в [9].
На передней панели блока питания установлены вольтметр и амперметр, сетевой выключатель, предохранитель FU3, светодиод VD10 и выходные клеммы.
На задней стенке установлен VT2, предохранители FU1 и FU2, "земляная" клемма и гнездо сетевого шнура.
Все возникающие вопросы по запуску и наладке стабилизатора напряжения прошу адресовать в эфире по рабочим дням на 3,5 и 7,0 МГц, в выходные — на 3,5; 7,0; 14,0 МГц на SSB участках или на любительском репитере R1 (г.Вильнюс) диапазона 144 МГц.
Литература
1. Черный В. Регулируемые стабилизаторы напряжения на ОУ//Радио. — 1980. — N 3. — С.33-35.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир. — С.284-360.
3. Источники питания РЭА: Справочник/Под ред.Г.С.Найвельта. — М.: Радио и связь, 1986. — С.170-209.
4. Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. — М.: Радио и связь, 1981.—С.143-166.
5. Ефремов В. Стабилизированный источник питания на 12 В//Радиолюбитель. — 1991. — N6. — С.5.
6. Красуцкий М. Источник питания для Р-^ЗУ/Радиолюбитель. — 1992. — N4. — С.22.
7. RAVETTI R. Источник питания для автомобильного трансивера//Радиолюбитель. — 1993. — N9. — С.36.
8. Талалов А. Полевой транзистор в стабилизаторе на-пряжения//Радио. — 1983. — N1. — С.58.
9. Машенков В., Миронов А. Повышение КПД стабилизаторов напряжения//Радио. — 1986. — N2. — С.30-32.