Самодельный лабораторный источник питания с регулировкой 0-20В
Схема надежного лабораторного блока питания с регулируемым выходным напряжением от 0 до 20В. Относительную сложность предлагаемого устройства компенсируют улучшенные (по сравнению с аналогичными приборами) параметры и потребительские качества. Рекомендации автора позволяют как упростить при желании конструкцию, так и ввести в нее дополнительные функции.
По сравнению с уже описанными в журнале Радио подобными устройствами предлагаемый источник питания, на мой взгляд, обладает рядом преимуществ:
- во-первых, в отличие от предложенных ранее вариантов управления интегральной микросхемой КР142ЕН12А, стабилизатор напряжения охвачен общей цепью обратной связи;
- во-вторых, измерительный резистор тока нагрузки включен непосредственно на выходе устройства, поэтому измеряется фактически потребляемый нагрузкой ток.
Кроме того, источник питания не содержит ручных переключателей пределов выходного напряжения. Вместо этого в нем установлен автоматический тринисторный переключатель, коммутирующий вторичные обмотки трансформатора в зависимости от выходного напряжения.
Таким образом, уменьшена мощность, рассеиваемая регулирующим элементом стабилизатора при малых выходных напряжениях или при перегрузке по току.
Принципиальная схема
Источник питания содержит светодиодный индикатор режима работы, который позволяет четко фиксировать момент перехода из режима стабилизации напряжения в режим стабилизации тока, и наоборот. И наконец, он не требует подборки элементов для точной установки нулевого выходного напряжения. Его схема показана на рис. 1.
Устройство содержит узел измерения выходного напряжения на микросхеме DA7, регулируемый стабилизатор напряжения (DA5, DA6) узел ограничения тока (DA2) узел индикации (DA3) узел переключенья обмоток трасформатора (DA8, VS1) и вспомогательный источник питания (DA1 DA4).
Сетевой трансформатор Т1 имеет три вторичных обмотки, две из которых (II и ІГ) используют для питания нагрузки и формирования напряжения +24 В для питания стабилизатора а третья (III) -для получения напряжения -6 В.
Выпрямительные диодные мосты VD5-VD8 и VD1 VD4 включены последовательно поэтому на выходе первого из них действует напряжение около 13 В, а на выходе второго 26 В. С выхода одного из мостов напряжение поступает через диод VD9 или тринистор VS1 на сглаживающие конденсаторы С6 и С7, а далее - на интегральный стабилизатор DA5.
Рис. 1. Принципиальная схема лабораторного источника питания 0-20В.
Управляющее напряжение на вьводе 17 этой микросхемы формируют ОУ DA6 и усилитель тока на транзисторе VТ4 На неинвертирующий вход ОУ подают напряжение с переменного резистора R8, которым устанавливают необходимое выходное напряжение. На инвертирующий вход приходит сигнал с дифференциального усилителя, выполненного на ОУ DA7.
Этот усилитель формирует напряжение, пропорциональное выходному. Необходимость такого узла продиктована тем, что последовательно с нагрузкой включен измерительный резистор R20 небольшого сопротивления Коэффициент передачи усилителя равен 0,33, поэтому напряжение на его выходе находится в пределах 0. 6,6 В при изменении выходного напряжения источника от 0 до 20 В.
ОУ DA6 вырабатывает такой сигнал, чтобы разность значений напряжения на его входах была равна нулю. Таким образом осуществляется стабилизация выходного напряжения. Конденсатор С17 устраняет самовозбуждение ОУ.
Напряжение на резисторе R20 сравнивают с напряжением, снимаемым с делителя R4-R6. Если напряжение на резисторе R20 меньше, чем на движке переменного резистора R5 на выходе компаратора DA2 - напряжение около 23 В Ди од VD11 в это время закрыт.
Как только ток нагрузки достигнет предела, установленного резистором R5 напряжение на выходе ОУ DA2 снизится, что приведет к открыванию диода VD11 и уменьшению напряжения на резисторе R8 Таким образом, изменяется“задание” стабилизатору напряжения, и его выходное напряжение уменьшается до уровня, при котором ток нагрузки равен току ограничения. Самовозбуждение ОУ DA2 предотвращает конденсатором.
В результате уменьшения напряжения на выходе ОУ DA2 произойдет переключение триггера Шмитта DA3 на его выходе появится напряжение, близкое к питающему (+23 В) Светодиод HL1 сообщит о перегрузке красным свечением После выхода устройства из режима ограничения тока триггер Шмитта переходит в исходное состояние.
Отрицательное напряжение на его выходе (около -5 В) приведет к тому что диод VD12 закроется, а транзистор VТ2, который включает зеленый кристалл светодиода HL1, откроется Диод VD12 при этом защитит красный кристалл от пробоя обратным напряжением.
Применение отдельного ОУ для индикации режима работы позволило добиться четкой фиксации момента перехода в режим стабилизации тока или напряжения. Действительно, в рабочем состоянии (в режиме стабилизации напряжения) на инвертирующий вход ОУ DA3 поступает напряжение около 23 В а порог переключения триггера Шмитта - 19 В поэтому на его выходе будет низкий уровень (-5 В).
При переходе в режим ограничения тока напряжение на инвертирующем входе ОУ DA3 становится равным (без учета его падения на диоде VD11) напряжению в точке соединения резисторов R7 и R8, которое не превышает 7-8 В. На выходе ОУ DA3 при этом окажется напряжение высокого уровня (+23 В). Резистор R11 обеспечивает гистерезис около 0,2 В для более четкой работы узла индикации.
На ОУ DA8, также выполняющем функцию триггера Шмитта, собран узел коммутации вторичных обмоток трансформатора. На его вход (вывод 2 ОУ DA8) поступает сигнал, пропорциональный напряжению на выходных разъемах XS1 и XS2 источника питания. Если оно меньше 9 В, на выходе ОУ - напряжение около 23 В и тринистор VS1 закрыт. Напряжение на вход стабилизатора DA5 поступает через диод VD9 с обмотки II' трансформатора.
Когда выходное напряжение превысит 9 В, триггер на ОУ DA8 переключится, что приведет к последовательному открыванию диода VD15, транзисторов VТ6, VТ5 и VТ1, а вслед за ними и тринистора VS1. Теперь напряжение на микросхему DA5 поступает с двух последовательно соединенных обмоток II и ІГ трансформатора. Диод VD9 закрыт приложенным к нему обратным напряжением.
Ширина “петли гистерезиса" триггера Шмитта по выходному напряжению блока питания -около 2 В, поэтому когда выходное напряжение уменьшается до 7 В тринистор VS1 закрывается и отключает обмотку II. При переходе в режим стабилизации тока или при замыкании на выходе описанный узел также может временно отключить одну обмотку трансформатора, уменьшив, таким образом, мощность, рассеиваемую микросхемой DA5.
Двуполярное напряжение питания для операционных усилителей и транзисторов формируют интегральные стабилизаторы DA1 и DA4. Напряжение для ис точника 6 В поступает с от дельной обмотки III трансформа ора, а для источника +24 В -с двух последовательно соединенных обмоток II и ІI'.
Диод VD13 перед сглаживающим конденсатором С1 введен, чтобы напряжение на аноде тринистора VS1 было пульсирующим. Это необходимо для закрывания тринистора после снятия управляющего воздействия.
После отключения источника питания от сети, особенно при высокоомной нагрузке конденсаторы С6 и С7 разряжаются дольше, чем пропадают напряжения +24 В и -6 В. Поэтому управляющий вход (вывод 17 стабилизатора DA5 оказывается неподключенным, регулирующий транзистор этой микросхемы полностью открывается и на выходе может появиться напряжение до 30 В. Чтобы этого не происходило, в устройство введены транзистор VТЗ и делитель напряжения R15R16.
В обычном режиме этот узел не оказывает влияния на работу стабилизатора, поскольку к базе транзистора приложено закрывающее напряжение около -5 В. После отключения питания и исчезновения напряжения -6 В транзистор открывается, соединяя с общим проводом вывод 17 микросхемы DA5, и напряжение на ее выходе снижается до 1,2 В
Недостаток подобной защиты заключается в следующем: в случае когда на выходе устройства установлено напряжение менее 1,2 В, при отключении питания выходное напряжение не снижается, а наоборот, возрастает. Это следует учитывать при работе с малым выходным напряжением и отключать нагрузку от источника раньше, чем сам источник от сети.
Детали и печатная плата
Большинство деталей устройства смонтировано на печатной плате, чертеж которой показан на рис. 2. Микросхему DA5 необходимо установить на теплоотвод. Провода, идущие к измерительной цепи, подключают непосредственно к разъемам XS1 и XS2.
Рис. 2. Печатная плата лабораторного источника питания 0-20В.
Микросхемы КР140УД708 заменимы на КР140УД608 или К140УД6, К140УД7. На месте DA6 может быть установлен ОУ К140УД6. Микросхема КР142ЕН5Б заменима на КР142ЕН5Г, а КР142ЕН9Б - на КР142ЕН9Д или КР142ЕН9И.
Допустима замена КР142ЕН12А на КР142ЕН12Б, но при этом максимальный ток источника питания не должен превышать 1 А. Транзисторы VТ3 и VТ5 - КТ3102А-КТ3102В, КТ3102Д или КТ315В-КТ315Е. КТ315Р; VТ1, VТ2, VТ4 и VТ6 - КТ3107А-КТ3107Д, КТ3107И, KT3107K или КТ361В-КТ361Е. Тринистор VS1 - КУ202В-КУ202Н. Вместо диодов FR207 можно установить отечественные серии КД226. Диоды VD13 и VD14 - любые серий КД 105, КД208 или КД209.
На месте диодов VD11, VD12 и VD15 кроме указанного на схеме, могут работать КД521А-КД521В. Светодиод HL1 заменим любым с управляемым цветом свечения, рассчитанным на ток 10...20 мА.
Трансформатор - ТС-40-2 либо другой, обеспечивающий на обмотках II и II напряжение 12... 15 В при токе до 1.5 А, а на обмотке III - напряжение около 10 В Постоянные резисторы (кроме R20) -МЛТ-0,125 переменные R5 и R8 -СПЗ-ЗОа. Резистор R20 изготовлен из отрезка нихромовой проволоки диаметром 0,5 мм и длиной 15 см. намотанного на резистор МЛТ-2 сопротивлением 7,5 кОм.
Оксидные конденсаторы - К50-35, К50-40, остальные - КМ, К10-17. Пары резисторов R18, R22 и R19, R23 желательно подобрать с наименее отличающимися сопротивлениями, причем само это значение некритично - вполне допустимо использовать обычные резисторы с допуском 10 %.
Налаживание блока питания
Налаживание устройства заключается в основном в подборке элементов определяющих пределы изменения напряжения и тока. Подключив к разъемам XS1 и XS2 вольтметр постоянного тока и установив движок переменного резистора R5 в верхнее по схеме положение, убеждаются, что при повороте движка резистора R8 напряжение изменяется от 0 до 20 В. Верхний предел можно установить подбором резистора R7.
Следует также проконтролировать напряжение на конденсаторах С6 и С7 При выходном напряжении менее 7-9 В конденсаторы должны быть заряжены до напряжения 15-18 В, а при большем выходном напряжении - до 30. .35 В.
Далее подключают к выходу источника питания амперметр на максимальный ток не менее 2 А, а движок переменного резистора R8 устанавливают в среднее положение (движок резистора R5 в верхнем по схеме положении). При подключении амперметра цвет излучения светодиода HL1 должен сразу же измениться с зеленого на красный.
Если этого не произошло и ток замыкания не превышает 1,5 или 1 А (в зависимости от типа микросхемы DA5), значит, встроенные элементы за-щи ы этой микросхемы включились раньше узла ограничения тока на ОУ DA2. Этот конфликт можно устранить уменьшением емкости конденсатора С15 либо увеличением емкости конденсатора С16.
Подбором резисторов R4 и R6 устанавливают соответственно верхний и нижний пределы изменения тока ограничения при крайних положениях движка переменного резистора R5. Необходимо также убедиться, что система ограничения тока работает при верхнем по схеме положении движка резистора R8, а напряжение на конденсаторах С6 и С7 в этом случае не превышает 20 В. На этом налаживание устройства закончено.
Рис. 3. Схема узла индикации.
При отсутствии светодиода с управля емым цветом свечения его можно заменить двумя разного цвета, например, из серии АЛ307, исключив при этом элементы VТ2, VD12, R13 и собрав узел индикации как показано на рис. 3.
Узел индикации можно еще более упростить, исключив ОУ DA3, резисторы R9-R11 и включив светодиод красного цвета излучения последовательно с диодом VD11. Но в этом случае яркость свечения будет зависеть от перегрузки по току и момент перехода устройства в режим стабилизации тока заметить буде сложнее.
И наконец, коротко о том, как уменьшить влияние сопротивления проводников, соединяющих источник питания с нагрузкой. Для этого необходимо подключать нагрузку Rн(рис. 4) четырьмя проводами. Два из них - силовые, другие два, соединенные с разъемами XS3 и XS4, подключены к измерительной цепи и могут иметь меньшее сечение.
Дополнительно следует установить резисторы R31 и R32, которые обезопасят нагрузку от превышения напряжения в случае обрыва проводников обратной связи.
Рис. 4. Подключение нагрузки четырьмя проводами.
При четырехпроводном способе включения нагрузки целесообразно также уменьшить напряжение смещения ОУ DA6, введя подстроечный резистор R33 сопротивлением 1-10 кОм, как показано на рис. 5.
Установив движок переменного резистора R8 в нижнее по схеме положение подстроечным резистором R33 устанавливают на выходе источника питания нулевое напряжение с точностью до долей милливольта.
Рис. 5. Подстроечный резистор в схеме.
Для защиты ОУ DA2 последовательно а цепь его инвертирующего входа рекомендуем включить резистор coпротивлением около 1 кОм.
А. Шитов, г. Иваново. Р-06-2000.