Лабораторный источник питания с регулировкой тока ограничения

Для настройки или ремонта радиотехнических устройств необходимо иметь несколько источников питания. У многих дома уже есть такие устройства, но, как правило, они имеют ограниченные эксплуатационные возможности (допустимый ток нагрузки до 1 А, а если и предусмотрена токовая защита, то она инерционна или без возможности регулировать — триггерная). В общем такие источники по своим техническим характеристикам не могут конкурировать с промышленными блоками питания. Приобретать же универсальный лабораторный промышленный источник довольно дорого.

Использование современной схемотехники и элементной базы позволяют сделать в домашних условиях источник питания, по основным техническим характеристикам не уступающий лучшим промышленным образцам. При этом он может быть простым в изготовлении и настройке.

Основные требования, которым должен удовлетворять такой источник питания: регулировка напряжения в диапазоне 0...30 В; способность обеспечить ток в нагрузке до 3 А при минимальных пульсациях; регулировка срабатывания токовой защиты. Кроме того, срабатывание защиты по току должно быть достаточно быстрым, чтобы исключить повреждение самого источника в случае короткого замыкания на выходе.

Возможность плавно регулировать в источнике питания ограничения тока позволяет при настройке внешних устройств исключить их повреждение.

Всем этим требованиям удовлетворяет предлагаемая ниже схема универсального источника питания. Кроме того, данный блок питания позволяет использовать его в качестве источника стабильного тока (до 3 А).

Основные технические характеристики источника питания:

плавная регулировка напряжения в диапазоне от 0 до 30 В;

напряжение пульсации при токе 3 А не более 1 мВ;

плавная регулировка тока ограничения (защиты) от 0 до 3 А;

коэффициент нестабильности по напряжению не хуже 0,001%/В;

коэффициент нестабильности по току не хуже 0,01%/В;

КПД источника не хуже 0,6.

Электрическая схема источника питания, рис. 4.10, состоит из схемы управления (узел А1), трансформатора (Т1), выпрямителя (VD5...VD8), силового регулирующего транзистора VT3 и блока коммутации обмоток трансформатора (А2).

Схема управления (А1) собрана на двух универсальных операционных усилителях (ОУ), расположенных в одном корпусе, и питается от отдельной обмотки трансформатора. Это обеспечивает регулировку выходного напряжения от нуля, а также более стабильную работу всего устройства. А для облегчения теплового режима работы силового регулирующего транзистора применен трансформатор с секционированной вторичной обмоткой. Отводы автоматически переключаются в

зависимости от уровня выходного напряжения при помощи реле К1, К2. Что позволяет, несмотря на большой ток в нагрузке, применить теплоотвод для VT3 небольших размеров, а также повысить КПД стабилизатора.

Блок коммутации (А2), чтобы при помощи всего двух реле обеспечить переключение четырех отводов трансформатора, выполняет их включение в следующей последовательности: при превышении выходного напряжения уровня 7,5 В — включается К1; при превышения уровня 15 В включается К2; при превышении 22 В—отключается К1 (в этом случае с обмоток трансформатора поступает максимальное напряжение). Указанные пороги задаются используемыми стабилитронами (VD11...VD13). Отключение реле при снижении напряжения выполняется в обратной последовательности, но с гистерезисом примерно 0,3 В, т.е. когда напряжение снизится на это значение ниже чем при включении, что исключает дребезг при переключении обмоток.

Схема управления (А1) состоит из стабилизатора напряжения и стабилизатора тока. При необходимости устройство может работать в любом из этих режимов. Режим зависит от положения регулятора "I" (R18).

Стабилизатор напряжения собран на элементах DA1.1-VT2-VT3. Работает схема стабилизатора следующим образом. Нужное выходное напряжение устанавливается резисторами "грубо" (R16) и "точно" (R17). В режиме стабилизации напряжения сигнал обратной связи по напряжению (-Uoc) с выхода (Х2) через делитель из резисторов R16-R17-R7 поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя DA1/2. На этот же вход через резисторы R3-R5-R7 подается опорное напряжение +9 В. В момент включения схемы на выходе DA1/12 будет увеличиваться положительное напряжение (оно через транзистор VT2 приходит на управление VT3) до тех пор, пока напряжение на выходных клеммах Х1-Х2 не достигнет установленного резисторами R16-R17 уровня. За счет отрицательной обратной связи по напряжению, поступающей с выхода Х2 на вход усилителя DA1/2, выполняется стабилизация выходного напряжения источника питания.

При этом выходное напряжение будет определяться соотношением:

где Uon=9 В

Соответственно изменяя сопротивление резисторов R16 ("грубо") и R17 ("точно"), можно менять выходное напряжение (Uвых) от 0 до 30 В.

Когда к выходу источника питания подключена нагрузка, в его выходной цепи начинает протекать ток, создающий положительное падение напряжения на резисторе R19 (относительно общего провода схемы). Это напряжение поступает через резистор R18 в точку соединения R6-R8. Со стабилитрона VD2 через R4-R6 подается опорное отрицательное напряжение (-9 В). Операционный усилитель DA1.2 усиливает разность между ними. Пока разность отрицательная (т.е. выходной ток меньше установленной резистором R18 величины), на выходе DA1/10 действует+15 В. Транзистор VT1 будет закрыт и эта часть схемы не оказывает влияния на работу стабилизатора напряжения.

При увеличении тока нагрузки до величины, при которой на входе DA1/7 появится положительное напряжение, на выходе DA1/10 будет отрицательное напряжение и транзистор VT1 приоткроется. В цепи R13-R12-HL1 протекает ток, который уменьшит открывающее напряжение на базе регулирующего силового транзистора VT3.

Свечение красного светодиода (HL1) сигнализирует о переходе схемы в режим ограничения тока. В этом случае выходное напряжение источника питания снизится до такой величины, при которой выходной ток будет иметь значение, достаточное для того, чтобы напряжение обратной связи по току (Uoc), снимаемое с резистора R16, и опорное в точке соединения R6-R8-R18 взаимно компенсировались, т.е. появился нулевой потенциал. В результате выходной ток источника окажется ограниченным на уровне, задаваемым положением движка резистора R18. При этом ток в выходной цепи будет определяться соотношением:

где Uon=-9 В

Диоды (VD3) на входах операционных усилителей обеспечивают защиту микросхемы от повреждения в случае включения ее без обратной связи или при повреждении силового транзистора. В рабочем режиме напряжение на входах ОУ близко к нулю и диоды не оказывают влияния на работу устройства.

Конденсатор СЗ ограничивает полосу усиливаемых частот ОУ, что предотвращает самовозбуждение и повышает устойчивость работы схемы.

Особенности конструкции

Части схемы, выделенные пунктиром (узлы А1 и А2), располагаются на двух печатных платах размером 80х65 мм из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1...3 мм.

Для узла А1 топология и расположение элементов показаны на рис. 4.11.

Узел А2 может быть выполнен объемным монтажом и его размеры зависят от типа применяемых репе.

При сборке использованы детали: подстроенные резисторы R5 и R6 типа СПЗ-19а; переменные резисторы R16...R18 типа СПЗ-4а или ППБ-1А; постоянные резисторы R19 типа С5-16МВ на 5 Вт, остальные из серии МЛТ и С2-23 соответствующей мощности.

Конденсаторы С1, С2, СЗ, С10 типа К10-17, электролитические С4...С9 типа К50-35 (К50-32).

Микросхема DA1 может быть заменена импортным аналогом А747; DA2 на 78L15; DA3 на 79L15.

Светодиоды HL1, HL2 подойдут любые с разным цветом свечения. Транзисторы VT1, VT2 могут быть заменены на КТ3107А (Б). Сиговой транзистор VT3 устанавливается на радиатор площадью около 1000 см кв. Разъем ХЗ на плате А1 типа РШ2Н-2-15.

Репе К1, К2 применены польского производства типоразмера R-15 с обмоткой на рабочее напряжение 24 В (сопротивление обмотки 430 Ом) - они за счет бескорпусного исполнения имеют малые габариты и достаточно мощные переключающие контакты.

Микроамперметр РА1 малогабаритный типа М42303 или аналогичный с внутренним шунтом на ток до 3 или 5 А. Для удобства эксплуатации источника питания схему можно дополнить вольтметром, показывающим выходное напряжение.

Сетевой трансформатор Т1 изготавливается самостоятельно на основе броневого унифицированного промышленного трансформатора мощностью 160 Вт (например, из серии ОСМ1 ТУ16-717.137-83). Железо в месте расположения каркаса катушки имеет сечение 40х32 мм. Потребуется удалить все вторичные обмотки, оставив только сетевую (если первичная обмотка рассчитана на 380 В, то с нее сматываем

300 витков). Намотку начинаем с обмотки 8-9-10 — она содержит 38+38 витков проводом ПЭЛ диаметром 0,23 мм. Обмотка 7-^-5-4-3 содержит 16+15+15+15 витков проводом ПЭЛ диаметром 1,5 мм. Вторичные обмотки трансформатора должны обеспечивать на холостом ходу напряжения 18+18 В и 7,5+7,5+7,5+7,5 В соответственно.

При безошибочном монтаже в схеме узла А1 потребуется настроить только максимум диапазона регулировки выходного напряжения 0...30 В резистором R5 и максимальный ток защиты ЗА — резистором R6.

Блок коммутации (А2) в настройке не нуждается. Необходимо только проверить пороги переключения реле К1, К2 и соответствующее увеличение напряжения на конденсаторе С8.

При работе схемы в режиме стабилизации напряжения светится зеленый светодиод (HL2), а при переходе в режим стабилизации тока — красный (HL1).

Для увеличения максимально допустимого тока в нагрузке до 5 А в схему потребуется внести изменения, показанные на рис. 4.12 (устанавливается параллельно два силовых транзистора). Это вызвано необходимостью обеспечить надежную работу устройства в случае короткого замыкания на выходных клеммах.

В наихудшем случае силовые транзисторы кратковременно должны выдерживать перегрузку по мощности Р=11вх1=35-5=175 Вт. А ' один транзистор КТ827А может рассеивать мощность не более 125 Вт.

Переключающие напряжение с трансформатора Т1 реле К1 и К2 инерционны и не обеспечивают мгновенное снижение напряжения, приходящего со вторичной обмотки Т1, но они уменьшат тепловую рассеиваемую мощность на силовых транзисторах при длительной работе источника.

В случае выполнения источника питания на ток 5 А необходимо также уменьшить номинал резистора R19 до 0,2 Ом и с учетом этого пересчитать значения резистора R18 по формуле: