Лабораторный блок питания с регулируемым напряжением от 5 до 100В (0,2А)
В практике радиолюбителя время от времени возникает необходимость в стабилизированном постоянном напряжении, превышающем традиционные 5... 15 В, применяемые для питания аппаратуры на микросхемах. В таких случаях поможет описываемое устройство.
Технические характеристики источника
- Интервалы выходного напряжения, В - 5...55, 50...100;
- Максимальный выходной ток, мА ....................200;
- Уровень ограничения выходного тока, мА..............250;
- Пульсации выходного напряжения, мВ, не более .......10;
- Нестабильность выходного напряжения при изменении напряжения сети в пределах 190...240 В и выходного тока 0...200 мА, %, не более ....................0,1.
Высокая стабильность обеспечена применением в качестве источника образцового напряжения и усилителя сигнала рассогласования микросхемы КР142ЕН19А [1].
Принципиальная схема
Схема источника питания приведена на рис. 1. Его выпрямитель собран по схеме с удвоением напряжения на диодах VD1 и VD2, которые для снижения уровня коммутационных помех зашун-тированы конденсаторами С1 и С2. Чтобы уменьшить мощность, рассеиваемую на транзисторах стабилизатора, при работе в интервале 5...55 В отключают часть вторичной обмотки трансформатора Т1 переключателем SA2.
Транзистор VT2 служит генератором тока. Напряжение на его базе стабилизировано светодиодом HL1, значение тока коллектора (8...9 мА) задает резистор R2. Через делитель из резисторов R4-R8 часть выходного напряжения стабилизатора поступает на управляющий вход микросхемы DA1.
Если напряжение здесь менее 2,5 В, анодный ток микросхемы и коллекторный ток транзистора VT1 не превышают 0,4 мА. Благодаря этому транзистору, включенному по схеме с общей базой, напряжение на аноде микросхемы DA1 не превышает 3,3 В, а рассеиваемая ею мощность не выходит за допустимое значение.
В этом режиме почти весь коллекторный ток транзистора VT2 поступает в базу транзистора VT4 открывая последний. Напряжение на выходе стабилизатора и на входе управления микросхемы DA1 растет.
Рис. 1. Принципиальная схема лабораторного блока питания.
Когда последнее достигнет 2,5 В, анодный ток DA1, а с ним и коллекторный ток транзистора VT1 резко возрастет, ток базы транзистора VT4 уменьшится и напряжение на выходе источника будет стабилизировано на уровне, определяемом соотношением сопротивлений резисторов R4-R8. Плавно регулируют выходное напряжение переменным резистором R5, интервал регулировки выбирают с помощью переключателя SA2.
Транзистор VT3 нормально закрыт. Но при увеличении тока нагрузки и коллекторного тока транзистора VT4 примерно до 250 мА падение напряжения на резисторе R10 достигает значения, при котором транзистор VT3 открывается, шунтируя светодиод HL1. Это приводит к уменьшению коллекторных токов транзисторов VT2 и VT4.
В результате выходной ток стабилизатора оказывается ограниченным указанным выше значением. О срабатывании ограничителя тока можно судить по уменьшению яркости свечения светодиода.
Когда в результате действия ограничителя напряжение на выходе стабилизатора снизится примерно до 2,7 В, текущий по цепи HL1R1 ток пойдет в нагрузку через открывшийся диод VD4, несколько увеличивая суммарный протекающий через нее ток. Если бы диода VD4 не было, в результате изменения полярности приложенного напряжения открылся бы коллекторный переход транзистора VT1 и ток, текущий через R1, направился бы в базу транзистора VT4. В результате усиления транзистором VT4 приращение тока нагрузки было бы гораздо большим.
Имеется возможность полностью устранить эффект увеличения тока с помощью диода, включенного в разрыв цепи, соединяющей коллектор транзистора VT1 с базой транзистора VT4 и коллектором транзистора VT2. Но в таком случае транзисторы VT1 и VT2 нельзя будет устанавливать на общий теплоотвод без изолирующих прокладок.
Следует рассказать о назначении диодов VD5 и VD6 Предположим, переключатель SA2 находится в положении “50...100 В”, а на выходе установлено минимальное напряжение (движок переменного резистора R5 - в верхнем по схеме положении). После перевода переключателя SA2 в положение “5...55 В" напряжение 50 В, до которого заряжен конденсатор С7, оказывается приложенным к резисторам R6-R9, причем более его половины (около 30 В) - к управляющему входу микросхемы DA1.
Последняя из строя не выйдет, но по внутренним цепям микросхемы это напряжение попадет на ее анод и на эмиттер транзистора VT1, закрывая последний. В результате весь коллекторный ток транзистора VT2 потечет в базу транзистора VT4 и на выходе стабилизатора появится максимально возможное напряжение. К сожалению, это состояние устойчиво и самостоятельно стабилизатор выйти из него не сможет
Диод VD5 служит для исключения подобной критической ситуации. Открываясь, он ограничивает напряжение на входе микросхемы DA1 допустимым значением. Правильный выбор напряжения стабилизации стабилитрона VD3 и номиналов резисторов R7 и R8 гарантирует, что в нормальном рабочем режиме диод VD5 остается закрытым и не влияет на работу стабилизатора.
При резком изменении положения органов управления в сторону уменьшения выходного напряжения возможна ситуация, когда за счет медленной разрядки конденсатора С7 напряжение на эмиттере транзистора VT4 “не поспевает” за напряжением на его базе.
Возникает опасность пробоя эмиттер-ного перехода транзистора напряжением, приложенным к нему в обратном направлении. Диод VD6 предотвращает этот обратимый, но нежелательный пробой. Конденсатор С7 разряжается по цепи VD6, VT1, R3, DA1 Благодаря резистору R3 ток разрядки не превышает 100 мА.
Детали и конструкция
В блоке питания применен унифицированный трансформатор ТПП271-127/220-50 [2] с габаритной мощностью 60 Вт Подобные трансформаторы меньшей мощности имеют слишком большие для работы в предлагаемом устройстве активные сопротивления обмоток.
Для некоторого уменьшения напряжения на вторичных обмотках трансформатора выводы его первичных обмоток соединены нестандартным образом. При самостоятельном изготовлении трансформатора следует ориентироваться на указанные на рис 1 напряжения холостого хода вторичных обмоток. Сечения обмоточных проводов должны быть достаточно большими, чтобы сопротивления обмоток были примерно такими же, как у указанного трансформатора: 1-9 - 56 Ом, 13-16 -2,3 0м, 17-18 - 1,З Ом.
Все постоянные резисторы в устройстве - С2-23 или МЯТ соответствующей мощности, R5 - ПП3-40. Конденсаторы С1 и С2 - керамические на напряжение не менее 160 В, например, КМ-5 группы ТКЕ не хуже М1500.
С3, С4, С7 - импортные аналоги К50-35, С6 - КМ-5 или КМ-6, С5 и С8 - К73-17 на напряжение 250 В. Диоды 1N4007 имеют отечественный аналог - КД243Ж, можно использовать любые диоды на напряжение не менее 200 В и ток 300 мА. Вместо КД509А можно установить любые диоды с допустимым импульсным током не менее 300 мА.
Коэффициенты передачи тока h21э у всех мощных транзисторов должны быть не менее 30, причем этот параметр транзистора VT4 следует проверять при токе коллектора 200 мА. Замену транзисторам VT1, VT2 и VT4 нужно подбирать с предельным напряжением коллектор - эмиттер не менее 160 В и допустимым током коллектора не менее 100 мА (VT1 и VT2) и 1 A (VT4).
Транзистор VT3 - любой кремниевый маломощный структуры p-n-p. Светодиод HL1 - любой видимого свечения. Чтобы сохранить неизменным коллекторный ток транзистора VT2 при установке светодиода HL1 зеленого или желтого цвета придется, возможно, немного увеличить номинал резистора R2. Микросхему КР142ЕН19А можно заменить импортным аналогом TL431.
Основная часть деталей источника питания размещена на печатной плате размерами 50x75 мм из стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 2, вид со стороны печатных проводников). На ней же находится общий ребристый теплоотвод транзисторов УИ и VT2 размерами 20x24x38 мм.
Транзистор VT4 устанавливают на отдельном ребристом теплоотводе размерами 36x100x140 мм. Диод VD6 припаивают непосредственно к выводам этого транзистора.
Подключать собранное устройство к сети в первый раз желательно через лабораторный регулируемый автотрансформатор, на выходе которого предварительно установлено нулевое напряжение. Движок переменного резистора R5 должен находиться в положении минимального сопротивления, переключатель SA2 - в положении “5 ..55 В".
К выходу источника подключают вольтметр и убеждаются, что по мере вращения рукоятки автотрансформатора в сторону увеличения напряжения показания вольтметра растут, но, дойдя приблизительно до 5 В, остаются на этом уровне. Если это так, можно довести входное напряжение до номинальных 220 В и проверить напряжение на некоторых элементах устройства.
На катоде стабилитрона VD3 оно должно быть близким к напряжению его стабилизации (3,9 В), на верхнем по схеме выводе резистора R7 - приблизительно 3,3 В. Падение напряжения на резисторе R2 должно составлять около 1,1 В, если оно больше, следует увеличить номинал указанного резистора таким образом, чтобы текущий через него ток был в пределах 8 9 мА.
Резисторы R4, R6, R8 подбирают в следующем порядке. При переключателе SA2, находящемся в положении “5...55 В”, устанавливают с помощью переменного резистора R5 максимальное напряжение на выходе источника.
Рис. 2. Печатная плата лабораторного источника питания.
Подбирают резистор R8 таким образом, чтобы оно было немного больше 55 В. Переводят движок резистора R5 в другое крайнее положение и, подбирая резистор R6, добиваются выходного напряжения немного меньше 5 В. Затем переводят переключатель SA2 в положение “50... 100 В” и подбирают резистор R4, добиваясь указанных пределов регулировки выходного напряжения резистором R5.
Следует обязательно проверить работу источника питания с максимальной нагрузкой. Если на каком-либо диапазоне при максимальном выходном напряжении увеличение тока нагрузки приводит к снижению этого напряжения, дело в недостаточном напряжении на соответствующей вторичной обмотке или слишком большом сопротивлении обмоток.
Миллиамперметр для контроля выходного тока можно включить в разрыв провода, идущего от эмиттера транзистора VT4 к другим элементам схемы (кроме диода VD6). Так как через прибор в этом случае кроме тока нагрузки, будет течь и ток делителя R4-R8, стрелку миллиамперметра следует установить на ноль корректирующим винтом при включенном, но работающем без нагрузки источнике.
Устройство можно дополнить переключателем уровня ограничения выходного тока (рис. 3). Сопротивление введенной части цепи резисторов R10-R13 должно быть таким, чтобы при предельном токе на ней падало напряжение около 0,6В.
Стабилизатор напряжения по приведенной схеме нетрудно рассчитать на любой интервал регулировки выходного напряжения с верхним пределом 50...500 В. Транзисторы (кроме VT3) следует выбрать примерно с полуторакратным запасом по напряжению относительно максимального выходного.
Рис. 3. Переключатель уровня ограничения выходного тока.
Генератор тока на транзисторе VT1 должен выдавать ток примерно в 1 2 раза больше максимального выходного тока стабилизатора, деленного на коэффициент h21э транзистора VT4. При расчетном выходном токе более 1 А в качестве VT4 необходим составной транзистор. Токи через резистор R1 и делитель R4-R8 могут быть выбраны в пределах 4...10 мА.
Если стабилизатор проектируют на фиксированное или регулируемое в небольших пределах выходное напряжение диоды VD4 и VD6 можно не устанавливать.
С. Бирюков, г. Москва. Р2001, 7.
Лиетература:
- Янушенко Е. Микросхема КР142ЕН19.- Р1994, 4.
- Сидоров И. Н., Мукосеев В. В., Христинин А. А. Малогабаритные трансформаторы и дроссели. Справочник - М. Радио и связь 1985.