Сетевой блок питания радиостанции
|
Приобретение дорогого импортного трансивера, как правило, сопряжено со значительными материальными затратами. Часто средств на покупку блока питания совсем не остается. И тут перед счастливым радиолюбителем встает проблема самостоятельного изготовления питающего устройства. Каким же требованиям оно должно удовлетворять? В первую очередь, наряду с необходимой мощностью самодельный блок питания должен иметь хорошую надежность, чтобы вероятность повреждения подключенного приемопередатчика была минимальной. Надежность, как известно, зависит от совокупной надежности всех элементов конструкции и их функциональной важности. В сетевом блоке питания важнейшую роль играет узел стабилизатора напряжения. В этой статье приведено описание самодельного сетевого устройства питания, главной "изюминкой" которого и есть схема стабилизатора. Блок работает без замечаний уже около полугода совместно с трансивером KENWOOD TS-570D. Недавно во время летней жары он прошел дополнительные испытания, работая около суток на эквивалент нагрузки при номинальном токе. Параметры блока питания: Выходное напряжение 13,8 В (регулируется) Номинальный ток нагрузки 25 А Ток защиты от КЗ 27 А Изменение напражения не более 0,5 В Габариты 130 х 140 х 350 мм Не менее важной проблемой, чем выбор схемы стабилизатора, является расчет и изготовление силового трансформатора. Эта задача почти всегда связана с массой трудностей - надо доставать нужное по размеру железо, провода необходимого сечения и, главное, произвести трудоемкую намотку. Все эти моменты вызывают у радиолюбителей глухое отвращение к самостоятельному изготовлению трансформатора и желание достать уже готовый. Что, в свою очередь, отодвигает момент выхода в эфир на новеньком трансивере в "долгий ящик". На самом деле, самодельный трансформатор - не такая уж трудная вещь. Глаза боятся, руки делают! Из своего опыта в качестве сердечника я предпочитаю использовать Ш-образные пластины. Несмотря на то, что необходимые габариты трансформатора при этом несколько больше, чем с торроидальным сердечником, технологические удобства берут верх. В первую очередь необходимо оценить пригодность имеющегося сердечника или прикинуть, какой искать. Затем рассчитать диаметры провода и число витков обмоток и, наконец, правильно оценить полученные результаты. Заглянув в старый справочник, можно найти там следующие приблизительные формулы: Необходимая мощность трансформатора, Вт Ртр = (Uвых · Iном) · 1,2 Площадь сечения сердечника, см2 Sсерд = Ртр / (Sокна · 1,2) Число витков на 1 вольт N = 60 / Sсерд Число витков первичной обмотки W = Uсети · N Число витков вторичной обмотки w = Uвторичной · N Диаметр провода d = 0,7 · sqr( Iобм ) Примем плотность тока в обмотках 2,5А / мм2 Следует иметь в виду, что число витков первичной обмотки на практике оказывается несколько меньшим, а вторичной - большим, по сравнению с расчетным. Тем не менее, сначала следует намотать первичную обмотку с запасом в 20 - 30 процентов. Запас пригодится при дальнейшей подгонке числа витков для оптимального режима работы трансформатора. При намотке желательно подсчитывать число витков для последующей коррекции расчетного параметра "N". После завершения черновой намотки сетевой обмотки следует закрепить все витки, собрать магнитопровод и измерить ток первичной обмотки на холостом ходу. Этот замер даст довольно полную информацию о качестве выполненной работы На данном этапе. Величина измеренного тока зависит от габаритной мощности трансформатора или, проще говоря, от размера его сердечника. Для трансформаторов с мощностью 200 - 1000 Вт ток холостого хода может иметь величину порядка 100 - 150 мА. Если измеренный ток будет меньше этой величины, это означает, что КПД трансформатора будет ниже нормы и от него не удастся получить ожидаемой мощности. В этом случае от обмотки надо отмотать часть витков и снова повторить замер тока. Чтобы избежать неожиданных неприятностей, связанных со случайными межвитковыми замыканиями, первый замер желательно производить, включив последовательно с обмоткой сетевую лампочку мощностью не менее 100 Вт. Если построить график зависимости тока холостого хода от числа витков, то на этом графике можно будет увидеть довольно резкий перелом, который показывает, что при определенном числе витков даже незначительное их уменьшение приводит к резкому увеличению тока. Так вот, оптимальным можно считать число витков, когда график тока немного нс доходит до места перелома вверх. Общим критерием качественности выполненной первичной обмотки можно считать отсутствие заметного нагрева сердечника трансформатора при работе без нагрузки в течении нескольких часов. Хочу отметить, что стараться наматывать трансформатор методом "виток к витку" весьма трудоемкое дело. Первичную обмотку вполне можно мотать "в навал". Современные обмоточные провода с их надежной лаковой изоляцией допускают такой метод намотки. Надо только следить за равномерностью распределения витков по поверхности обмотки, чтобы не создавать участки с повышенной межвитковой разностью потенциалов. Итак, первичная обмотка закончена. Витки закреплены, сделаны гибкие выводы и поверх витков проложена изоляция из нелегкоплавкого материала, в качестве которого, можно использовать ленту из фторопласта, взятую от конденсаторов ФТ-3. Теперь надо выполнить экранирование сетевой обмотки. Лучше всего это делать тонкой медной фольгой, обмотав ей в один слой поверхность вновь изготовленной сетевой обмотки. Экранирующая обмотка имеет только один вывод. который присоединяется потом к общей (земляной) шине питания. Экранирующая обмотка ни в коем случае не должна быть замкнутой, иначе это привело бы к гибели вашего трансформатора. Между перехлестывающимися концами фольги обязательно надо проложить надежную изоляцию. После изоляции экранирующей обмотки можно приступить к не менее ответственному делу - намотке вторичной, сильнотоковой обмотки. Ее конструкция зависит от выбора схемы выпрямителя. Если планируется применить мостовой выпрямитель, то мотается простая безотводная обмотка. Если в окне трансформатора имеется достаточно свободного места, желательно использовать парафазную двухполупериодную схему выпрямителя с двумя диодами и соответственно двойную вторичную обмотку с средним выводом. Потери в обмотке и на выпрямителе в этом случае будут меньшими, чем в первом случае. Для мощной вторичной обмотки обычно используется толстый медный провод диаметром несколько миллиметров или медная шинка. Это затрудняет производство ручной намотки и может привести к повреждению изоляции низлежащих витков. В своей конструкции я использовал своеобразный "литцендрат"- жгут из нескольких, сложенных вместе, проводов диаметром около 0,8 мм. При таком способе намотки важно следить за параллельностью расположения отдельных проводов этого жгута, чтобы не вызвать появления тока рассогласования между отдельными проводами обмотки. Важный вопрос - на какое напряжение рассчитывать вторичную обмотку? Ответ на него зависит от многих факторов. Таких, как свойства магнитопровода, емкость конденсатора фильтра выпрямителя, пределы возможных колебаний напряжения сети, свойства стабилизатора напряжения. На многие из этих вопросов легче получить ответ, поставив соответствующий эксперимент, чем пытаться рассчитать теоретически. В любом случае надо ориентироваться на величину выпрямленного напряжения порядка 20 Вольт. Увеличение этой цифры полезно для увеличения стабильности выходного напряжения за счет большего запаса напряжения для стабилизации. Однако, это, в свою очередь, приводит к ужесточению теплового режима работы трансформатора и стабилизатора, к необходимости применять электролитические конденсаторы фильтра на большее напряжение, то есть более дорогие и габаритные. Одним словом, здесь надо придерживаться правила "золотой середины" и не допускать для достижения неоправданно высоких нагрузочных параметров форсирования режимов узлов блока питания. После пробной намотки вторичной обмотки надо не забыть вновь проверить ток холостого хода сетевой обмотки. Он не должен возрасти более, чем на 5 - 10 мА. Далее, качество выполнения каждого этапа сборки устройства питания желательно проверять, нагружая его на эквивалент, которым может служить гирлянда соответствующим образом соединенных ламп накаливания. Я использовал старые 12-ти вольтовые автомобильные лампы от фар дальнего света, соединив параллельно обе спирали. Одна лампа в таком включении "кушает" около 6А. Собрав схему выпрямителя вместе с конденсатором фильтра, производим замеры нагрузочной способности, среднего напряжения и напряжения пульсации при номинальном токе нагрузки. Наибольший интерес вызывает величина напряжения в минимуме периода пульсации. Замеренное осциллографом, оно должно быть не менее чем на три вольта (мин. запас на стабилизацию) больше выходного напряжения стабилизатора и, в нашем случае, составит 13,8+3=16,8 В. Немаловажно правильно выбрать емкость конденсатора фильтра. Обычно ее выбирают порядка 100000 мкф. Я испытывал трудности с приобретением такого конденсатора и набрал необходимую емкость, соединяя параллельно имеющиеся конденсаторы. Мне удалось разместить их во всех закоулках корпуса блока, приклеивая конденсаторы клеем "расплав". Выводы одноименных полюсов надо соединить проводами в одной точке, в непосредственной близости от выходного разъема. Можно использовать конденсатор и меньшей емкости, но при этом необходимо несколько увеличить напряжение вторичных обмоток, контролируя напряжение пульсации под нагрузкой, как было описано выше. Когда сборка трансформатора и выпрямителя была окончательно завершена, передо мной встал соврем непростой вопрос выбора схемы стабилизатора напряжения. С одной стороны, существует масса схем с транзисторами в качестве регулирующего элемента, с другой стороны, соблазнительно было бы использовать стабилизатор полностью в интегральном исполнении. Последний вариант был бы предпочтителен и своей технологичностью, и качественными параметрами, гарантированными микросхемой, если бы не цена. Раньше и сейчас я широко применяю в своих конструкциях микросхемы КР142ЕН12. Всем они хороши - ценой, доступностью и своими параметрами, не боятся короткого замыкания. Только вот ток маловат. Всего около двух с небольшим ампер. Импортные аналоги наших микросхем LM317T -дешевле, стабильней и мощнее, держат три ампера, но все равно это далеко от того, что необходимо. Еще раньше, для увеличения мощности стабилизаторов я соединял выводы двух таких микросхем параллельно. Максимальный ток увеличивался так же ровно в два раза. В данном же случае я пошел на эксперимент и соединил параллельно целых девять микросхем, равномерно разместив их на общем радиаторе. По стандартной схеме присоединил два резистора к общему управляющему выводу и включил немудреную схему. Результаты испытаний под нагрузкой полностью оправдали мои предположения - отличные стабилизирующие свойства схемы сохранились такими же, как у отдельной микросхемы, а максимальный ток увеличился пропорционально их числу. Вот это произведение: 
Предохранители F1, F2 на ток 2,5 А. Предохранители F3, F4 на ток 25 А. Конденсатор С5 - 100'000,0 мкФ на 25 В, а С6 - 50,0 мкФ на 25 В. Диоды любые на нужное напряжение при токе не менее 30 А. Можно использовати импортные 40HF20. Используемые в стабилизаторе микросхемы перед монтажом следует испытать по отдельности. Выходные напряжения каждой микросхемы могут отличаться на небольшую величину. Но я намеренно не стремился выбирать экземпляры с одинаковыми параметрами, рассуждая следующим образом - пускай, при токе, предположим, два ампера работает всего одна из девяти микросхем. Зато когда ток увеличится до величины больше трех ампер, нагруженный чип почувствует перегрузку. В нем начнет срабатывать внутренняя схема защиты от короткого замыкания, то есть плавно увеличится его внутреннее сопротивление, и протекающий ток перераспределится на следующую микросхему. Так будет продолжаться пока все микросхемы не включатся в процесс стабилизации напряжения. При дальнейшем увеличении тока выше номинального будет наблюдаться быстрое уменьшение выходного напряжения - окончательно сработает функция защиты от перегрузки. Такая схема, кроме предельной простоты и минимума используемых элементов, имеет еще одно преимущество - лучшую теплоотдачу распределенных по радиатору микросхем. В моей конструкции использовались три игольчатых радиатора от строчной развертки телевизоров "Электроника 401", укрепленные на общем алюминиевом основании. Под радиаторами на всякий случай смонтирован охлаждающий вентилятор, правда, включать его не приходится - температура теплоотвода даже при интенсивной работе на передачу невысока. Регулировка выходного напряжения такой схемы может осуществляться в очень широком диапазоне - от двух до нескольких десятков вольт. В таблице приведены усредненные величины сопротивления регулировочного резистора (переменный резистор 3,3 кОм), в зависимости от требуемого выходного напряжения.
Замечу, что радиатор с микросхемами должен обязательно быть изолирован от корпуса блока питания. Сам корпус лучше не соединять гальванически со схемой стабилизатора, а присоединить к защитному заземлению. На входе сетевого напряжения желательно установить простой LC фильтр. Он защитит трансивер от попадания сетевых помех. Индикация работы блока питания производится двумя лампами HL1- любая неоновая, HL2 - лампа накаливания. Она также выполняет роль разрядного резистора. По длительности ее свечения после выключения блока из сети можно судить о качестве конденсатора С5, а по яркости - о стабильности выходного напряжения. В заключение скажу, что стоимость одной микросхемы LM317 в Москве составляет чуть больше 3 рублей - почти в два раза дешевле, чем наша отечественная КР142ЕН12, но по надежности превосходящая ее. С.Макаркин |