Сделать блок питания своими руками имеет смысл не только увлеченному радиолюбителю. Самодельный блок электропитания (БП) создаст удобства и сэкономит немалую сумму также в следующих случаях:
- Для питания низковольтного электроинструмента, ради экономии ресурса дорогостоящей аккумуляторной батареи (АКБ);
- Для электрификации помещений особо опасных по степени поражения электротоком: подвалов, гаражей, сараев и т.п. При питании их переменным током большая его величина в низковольтной проводке способна создать помехи бытовой технике и электронике;
- В дизайне и творчестве для точной, безопасной и безотходной резки нагретым нихромом пенопласта, поролона, легкоплавких пластиков;
- В светодизайне – использование специальных БП позволит продлить жизнь светодиодной ленты и получить стабильные световые эффекты. Питание подводных осветителей , и пр. от бытовой электросети вообще недопустимо;
- Для зарядки телефонов, смартфонов, планшетов, ноутбуков вдали от стабильных источников электропитания;
- Для электроакупунктуры;
- И многих других, не имеющих прямого отношения к электронике, целей.
Допустимые упрощения
Профессиональные БП рассчитываются на питание нагрузки любого рода, в т.ч. реактивной. В числе возможных потребителей – прецизионная аппаратура. Заданное напряжение профи-БП должен поддерживать с высочайшей точностью неопределенно долгое время, а его конструкция, защита и автоматика должны допускать эксплуатацию неквалифицированным персоналом в тяжелых условиях, напр. биологами для питания своих приборов в теплице или в экспедиции.
Любительский лабораторный блок питания свободен от этих ограничений и поэтому может быть существенно упрощен при сохранении достаточных для собственного употребления качественных показателей. Далее, путем также несложных усовершенствований, из него можно получить БП специального назначения. Чем мы сейчас и займемся.
Сокращения
- КЗ – короткое замыкание.
- ХХ – холостой ход, т.е. внезапное отключение нагрузки (потребителя) или обрыв в ее цепи.
- КСН – коэффициент стабилизации напряжения. Он равен отношению изменения входного напряжения (в % или разах) к такому же выходного при неизменном токе потребления. Напр. напряжение сети упало «по полной», с 245 до 185В. Относительно нормы в 220В это будет 27%. Если КСН БП равен 100, выходное напряжение изменится на 0,27%, что при его величине 12В даст дрейф в 0,033В. Для любительской практики более чем приемлемо.
- ИПН – источник нестабилизированного первичного напряжения. Это может быть трансформатор на железе с выпрямителем или импульсный инвертор напряжения сети (ИИН).
- ИИН – работают на повышенной (8-100 кГц) частоте, что позволяет использовать легкие компактные трансформаторы на феррите с обмотками из нескольких-нескольких десятков витков, но не лишены недостатков, см. ниже.
- РЭ – регулирующий элемент стабилизатора напряжения (СН). Поддерживает на выходе заданную его величину.
- ИОН – источник опорного напряжения. Задает эталонное его значение, по которому совместно с сигналами обратной связи ОС устройство управления УУ воздействует на РЭ.
- СНН – стабилизатор напряжения непрерывного действия; попросту – «аналоговый».
- ИСН – импульсный стабилизатор напряжения.
- ИБП – импульсный блок питания.
Примечание: как СНН, так и ИСН могут работать как от ИПН промышленной частоты с трансформатором на железе, так и от ИИН.
О компьютерных БП
ИБП компактны и экономичны. А в кладовке у многих валяется БП от старого компа, морально устаревший, но вполне исправный. Так нельзя ли приспособить импульсный блок питания от компьютера для любительских/рабочих целей? К сожалению, компьютерный ИБП достаточно высоко специализированное устройство и возможности его применения в быту/на работе весьма ограничены:
Использовать ИБП, переделанный из компьютерного, обычному любителю целесообразно, пожалуй, только для питания электроинструмента; об этом см. далее. Второй случай – если любитель занимается ремонтом ПК и/или созданием логических схем. Но тогда он уже знает, как для этого приспособить БП от компа:
- Нагрузить основные каналы +5В и +12В (красные и желтые провода) нихромовыми спиральками на 10-15% номинальной нагрузки;
- Зеленый провод мягкого запуска (слаботочной кнопкой на передней панели системника) pc on замкнуть на общий, т.е. на любой из черных проводов;
- Вкл/выкл производить механически, тумблером на задней панели БП;
- При механическом (железном) I/O «дежурка», т.е. независимое питание USB портов +5В будет также выключаться.
За дело!
Вследствие недостатков ИБП, плюс их принципиальная и схемотехническая сложность, мы только в конце рассмотрим пару таких, но простых и полезных, и поговорим о методике ремонта ИИН. Основная же часть материала посвящена СНН и ИПН с трансформаторами промышленной частоты. Они позволяют человеку, только-только взявшему в руки паяльник, построить БП весьма высокого качества. А имея его на хозяйстве, освоить технику «потоньше» будет легче.
ИПН
Сначала рассмотрим ИПН. Импульсные подробнее оставим до раздела о ремонте, но у них с «железными» есть общее: силовой трансформатор, выпрямитель и фильтр подавления пульсаций. В комплексе они могут быть реализованы различным образом сообразно назначению БП.
Поз. 1 на Рис. 1 – однополупериодный (1П) выпрямитель. Падение напряжения на диоде наименьшее, ок. 2В. Но пульсация выпрямленного напряжения – с частотой 50Гц и «рваная», т.е. с промежутками между импульсами, поэтому конденсатор фильтра пульсаций Сф должен быть в 4-6 раз большей емкости, чем в прочих схемах. Использование силового трансформатора Тр по мощности – 50%, т.к. выпрямляется всего 1 полуволна. По этой же причине в магнитопроводе Тр возникает перекос магнитного потока и сеть его «видит» не как активную нагрузку, а как индуктивность. Поэтому 1П выпрямители применяются только на малую мощность и там, где по-иному никак нельзя, напр. в ИИН на блокинг-генераторах и с демпферным диодом, см. далее.
Примечание: почему 2В, а не 0,7В, при которых открывается p-nпереход в кремнии? Причина – сквозной ток, о котором см. далее.
Поз. 2 – 2-полупериодный со средней точкой (2ПС). Потери на диодах такие же, как в пред. случае. Пульсация – 100 Гц сплошная, так что Сф нужен наименьший из возможных. Использование Тр – 100% Недостаток – удвоенный расход меди на вторичную обмотку. Во времена, когда выпрямители делали на лампах-кенотронах, это не имело значения, а теперь – определяющее. Поэтому 2ПС используют в низковольтных выпрямителях, преимущественно повышенной частоты с диодами Шоттки в ИБП, однако принципиальных ограничений по мощности 2ПС не имеют.
Поз. 3 – 2-полупериодный мостовой, 2ПМ. Потери на диодах – удвоенные по сравнению с поз. 1 и 2. Остальное – как у 2ПС, но меди на вторичку нужно почти вдвое меньше. Почти – потому что несколько витков приходится доматывать, чтобы компенсировать потери на паре «лишних» диодов. Наиболее употребительная схема на напряжение от 12В.
Поз. 3 – двухполярный. «Мост» изображен условно, как принято в принципиальных схемах (привыкайте!), и повернут на 90 градусов против часовой стрелки, но на самом деле это пара включенных разнополярно 2ПС, как ясно видно далее на рис. 6. Расход меди как у 2ПС, потери на диодах как у 2ПМ, остальное как у того и другого. Строится в основном для питания аналоговых устройств, требующих симметрии напряжения: Hi-Fi УМЗЧ, ЦАП/АЦП и др.
Поз. 4 – двухполярный по схеме параллельного удвоения. Дает без дополнительных мер повышенную симметрию напряжения, т.к. асимметрия вторичной обмотки исключена. Использование Тр 100%, пульсации 100 Гц, но рваные, поэтому Сф нужны удвоенной емкости. Потери на диодах примерно 2,7В за счет взаимного обмена сквозными токами, см. далее, и при мощности более 15-20 Вт резко возрастают. Строятся в основном как маломощные вспомогательные для независимого питания операционных усилителей (ОУ) и др. маломощных, но требовательных к качеству электропитания аналоговых узлов.
Как выбрать трансформатор?
В ИБП вся схема чаще всего четко привязана к типоразмеру (точнее – к объему и площади поперечного сечения Sс) трансформатора/трансформаторов, т.к. использование тонких процессов в феррите позволяет упростить схему при большей ее надежности. Здесь «как-нибудь по-своему» сводится к точному соблюдению рекомендаций разработчика.
Трансформатор на железе выбирают с учетом особенностей СНН, или сообразуются с ними при его расчете. Падение напряжения на РЭ Uрэ не надо брать менее 3В, иначе КСН резко упадет. При увеличении Uрэ КСН несколько возрастает, но гораздо быстрее растет рассеиваемая РЭ мощность. Поэтому Uрэ берут 4-6 В. К нему добавляем 2(4)В потерь на диодах и падение напряжения на вторичной обмотке Тр U2; для диапазона мощностей 30-100 Вт и напряжений 12-60 В берем его 2,5В. U2 возникает преимущественно не на омическом сопротивлении обмотки (оно у мощных трансформаторов вообще ничтожно мало), а вследствие потерь на перемагничивание сердечника и создание поля рассеивания. Попросту, часть энергии сети, «накачанной» первичной обмоткой в магнитопровод, улетучивается в мировое пространство, что и учитывает величина U2.
Итак, мы насчитали, допустим, для мостового выпрямителя, 4+4+2,5 = 10,5В лишку. Прибавляем его к требуемому выходному напряжению БП; пусть это будет 12В, и делим на 1,414, получим 22,5/1,414 = 15,9 или 16В, это будет наименьшее допустимое напряжение вторичной обмотки. Если Тр фабричный, из типового ряда берем 18В.
Теперь в дело идет ток вторички, который, естественно, равен максимальному току нагрузки. Пусть нам нужно 3А; умножаем на 18В, будет 54Вт. Мы получили габаритную мощность Тр, Pг, а паспортную P найдем, поделив Pг на КПД Тр η, зависящий от Pг:
- до 10Вт, η = 0,6.
- 10-20 Вт, η = 0,7.
- 20-40 Вт, η = 0,75.
- 40-60 Вт, η = 0,8.
- 60-80 Вт, η = 0,85.
- 80-120 Вт, η = 0,9.
- от 120 Вт, η = 0,95.
В нашем случае будет P = 54/0,8 = 67,5Вт, но такого типового значения нет, так что придется брать 80Вт. Для того, чтобы получить на выходе 12Вх3А = 36Вт. Паровоз, да и только. Впору научиться рассчитывать и мотать «трансы» самому. Тем более что в СССР были разработаны методики расчета трансформаторов на железе, позволяющие без потери надежности выжимать 600Вт из сердечника, который, при расчете по радиолюбительским справочникам, способен дать всего 250Вт. «Железный транс» вовсе не так туп, как кажется.
СНН
Выпрямленное напряжение нужно стабилизировать и, чаще всего, регулировать. Если нагрузка мощнее 30-40 Вт, необходима и защита от КЗ, иначе неисправность БП может вызвать аварию сети. Все это вместе делает СНН.
Простой опорный
Начинающему лучше сразу не лезть в большие мощности, а сделать для пробы простой высокостабильный СНН на 12в по схеме на Рис. 2. Его можно будет потом использовать как источник эталонного напряжения (точная его величина выставляется R5), для поверки приборов или как ИОН высококачественного СНН. Максимальный ток нагрузки этой схемы всего 40мА, но КСН на допотопном ГТ403 и таком же древнем К140УД1 более 1000, а при замене VT1 на кремниевый средней мощности и DA1 на любой из современных ОУ превысит 2000 и даже 2500. Ток нагрузки при этом также возрастет до 150-200 мА, что уже годится в дело.
0-30
Следующий этап – блок питания с регулировкой напряжения. Предыдущий выполнен по т. наз. компенсационной схеме сравнения, но переделать такой на большой ток сложно. Мы сделаем новый СНН на основе эмиттерного повторителя (ЭП), в котором РЭ и УУ совмещены всего в 1-м транзисторе. КСН выйдет где-то 80-150, но любителю этого хватит. Зато СНН на ЭП позволяет без особых ухищрений получить выходной ток до 10А и более, сколько отдаст Тр и выдержит РЭ.
Схема простого БП на 0-30В приведена на поз. 1 Рис. 3. ИПН для него – готовый трансформатор типа ТПП или ТС на 40-60 Вт со вторичной обмоткой на 2х24В. Выпрямитель типа 2ПС на диодах на 3-5А и более (КД202, КД213, Д242 и т.п.). VT1 устанавливается на радиатор площадью от 50 кв. см; очень хорошо подойдет старый от процессора ПК. При таких условиях этот СНН не боится КЗ, только VT1 и Тр греться будут, так что для защиты хватит предохранителя на 0,5А в цепи первичной обмотки Тр.
Поз. 2 показывает, насколько удобен для любителя СНН на ЭП: там схема БП на 5А с регулировкой от 12 до 36 В. Этот БП может отдать в нагрузку и 10А, если найдется Тр на 400Вт 36В. Первая его особенность – интегральный СНН К142ЕН8 (предпочтительно с индексом Б) выступает в необычной роли УУ: к его собственным 12В на выходе добавляется, частично или полностью, все 24В, напряжение от ИОН на R1, R2, VD5,VD6. Емкости С2 и С3 предотвращают возбуждение на ВЧ DA1, работающей в необычном режиме.
Следующий момент – устройство защиты (УЗ) от КЗ на R3, VT2, R4. Если падение напряжения на R4 превысит примерно 0,7В, VT2 откроется, замкнет на общий провод базовую цепь VT1, он закроется и отключит нагрузку от напряжения. R3 нужен, чтобы экстраток при срабатывании УЗ не вывел из строя DA1. Увеличивать его номинал не надо, т.к. при срабатывании УЗ нужно надежно запереть VT1.
И последнее – кажущаяся избыточной емкость конденсатора выходного фильтра С4. В данном случае это безопасно, т.к. максимальный ток коллектора VT1 в 25А обеспечивает его заряд при включении. Но зато данный СНН может в течение 50-70 мс отдать в нагрузку ток до 30А, так что этот простой блок питания пригоден для питания низковольтного электроинструмента: его пусковой ток не превышает такого значения. Нужно только сделать (хотя бы из оргстекла) контактную колодку-башмак с кабелем, надеваемую на пятку рукояти, и пусть «акумыч» отдыхает и бережет ресурс до выезда.
Об охлаждении
Допустим, в данной схеме на выходе 12В при максимуме в 5А. Это всего лишь средняя мощность электролобзика, но, в отличие от дрели или шуруповерта, он берет ее постоянно. На С1 держится около 45В, т.е. на РЭ VT1 остается где-то 33В при токе 5А. Рассеиваемая мощность – более 150Вт, даже более 160, если учесть, что VD1-VD4 тоже надо охлаждать. Отсюда ясно, что любой мощный регулируемый БП должен быть снабжен весьма эффективной системой охлаждения.
Ребристый/игольчатый радиатор на естественной конвекции проблемы не решает: расчет показывает, что нужна рассевающая поверхность от 2000 кв. см. и толщина тела радиатора (пластины, от которой отходят ребра или иглы) от 16 мм. Заполучить столько алюминия в фасонном изделии в собственность для любителя было и остается мечтой в хрустальном замке. Процессорный кулер с обдувом также не годится, он рассчитан на меньшую мощность.
Один из вариантов для домашнего мастера – алюминиевая пластина толщиной от 6 мм и размерами от 150х250 мм с насверленными по радиусам от места установки охлаждаемого элемента в шахматном порядке отверстиями увеличивающегося диаметра. Она же послужит задней стенкой корпуса БП, как на Рис. 4.
Непременное условие эффективности такого охладителя – пусть слабый, но непрерывный ток воздуха сквозь перфорацию снаружи внутрь. Для этого в корпусе (желательно вверху) устанавливают маломощный вытяжной вентилятор. Подойдет компьютерный диаметром от 76 мм, напр. доп. кулер HDD или видеокарты. Его подключают к выводам 2 и 8 DA1, там всегда 12В.
Примечание: вообще-то радикальный способ побороть эту проблему – вторичная обмотка Тр с отводами на 18, 27 и 36В. Первичное напряжение переключают смотря по тому, какой инструмент в работе.
И все-таки ИБП
Описанный БП для мастерской хорош и весьма надежен, но таскать его с собой на выезд тяжко. Вот тут и придется впору компьютерный БП: к большинству его недостатков электроинструмент нечувствителен. Некоторая доработка сводится чаще всего к установке выходного (ближайшего к нагрузке) электролитического конденсатора большой емкости с целью, описанной выше. Рецептов переделки компьютерных БП под электроинструмент (преимущественно шуруповерты, как не очень мощные, но очень полезные) в рунете известно немало, один из способов показан в ролике ниже, для инструмента на 12В.
Видео: БП 12В из компьютерного
С инструментами на 18В еще проще: при той же мощности они потребляют меньший ток. Здесь может пригодится куда более доступное устройство зажигания (балласт) от лампы-экономки на 40 и более Вт; его можно целиком поместить в корпус от негодной АКБ, и снаружи останется только кабель с сетевой вилкой. Как из балласта от сгоревшей экономки сделать блок питания для шуруповерта на 18В, см. следующее видео.
Видео: БП 18В для шуруповерта
Высокий класс
Но вернемся к СНН на ЭП, их возможности далеко еще не исчерпаны. На Рис. 5 – двухполярный мощный блок питания с регулировкой 0-30 В, пригодный для Hi-Fi звуковой аппаратуры и прочих привередливых потребителей. Установка выходного напряжения производится одной ручкой (R8), а симметрия каналов поддерживается автоматически при любой его величине и любом токе нагрузки. Педант-формалист при виде этой схемы, возможно, поседеет на глазах, но у автора такой БП исправно работает уже около 30 лет.
Главным камнем преткновения при его создании было δr = δu/δi, где δu и δi – малые мгновенные приращения напряжения и тока соответственно. Для разработки и наладки высококлассной аппаратуры нужно, чтобы δr не превышало 0,05-0,07 Ом. Попросту, δr определяет способность БП мгновенно реагировать на броски тока потребления.
У СНН на ЭП δr равно таковому ИОН, т.е. стабилитрона, деленному на коэффициент передачи тока β РЭ. Но у мощных транзисторов β на большом коллекторном токе сильно падает, а δr стабилитрона составляет от единиц до десятков Ом. Здесь же, чтобы компенсировать падение напряжения на РЭ и уменьшить температурный дрейф выходного напряжения, пришлось набрать их целую цепочку пополам с диодами: VD8-VD10. Поэтому опорное напряжение с ИОН снимается через дополнительный ЭП на VT1, его β умножается на β РЭ.
Следующая фишка данной конструкции – защита от КЗ. Простейшая, описанная выше, в двухполярную схему никак не вписывается, поэтому задача защиты решена по принципу «против лома нет приема»: защитного модуля как такового нет, но есть избыточность параметров мощных элементов – КТ825 и КТ827 на 25А и КД2997А на 30А. Т2 такой ток дать не способен, а пока он разогреется, успеют сгореть FU1 и/или FU2.
Примечание: делать индикацию перегорания предохранителей на миниатюрных лампах накаливания не обязательно. Просто тогда светодиоды были еще довольно дефицитны, а СМок в загашнике насчитывалось несколько горстей.
Осталось уберечь РЭ от экстратоков разряда фильтра пульсаций С3, С4 при КЗ. Для этого они включены через ограничительные резисторы малого сопротивления. При этом в схеме могут возникнуть пульсации с периодом, равным постоянной времени R(3,4)C(3,4). Их предотвращают С5, С6 меньшей емкости. Их экстратоки для РЭ уже не опасны: заряд стечет быстрее, чем кристаллы мощнющих КТ825/827 разогреются.
Симметрию выхода обеспечивает ОУ DA1. РЭ минусового канала VT2 открывается током через R6. Как только минус выхода по модулю превзойдет плюс, он приоткроет VT3, а тот подзакроет VT2 и абсолютные величины выходных напряжений сравняются. Оперативный контроль за симметрией выхода осуществляется по стрелочному прибору с нулем посередине шкалы P1 (на врезке – его внешний вид), а регулировка при необходимости – R11.
Последняя изюминка – выходной фильтр С9-С12, L1, L2. Такое его построение необходимо для поглощения возможных ВЧ наводок от нагрузки, чтобы не ломать голову: опытный образец глючит или БП «заколбасило». С одними электролитическими конденсаторами, зашунтированными керамикой, тут полной определенности нет, мешает большая собственная индуктивность «электролитов». А дроссели L1, L2 разделяют «отдачу» нагрузки по спектру, и – каждому свое.
Этот БП в отличие от предыдущих требует некоторой наладки:
- Подключают нагрузку на 1-2 А при 30В;
- R8 ставят на максимум, в крайнее верхнее по схеме положение;
- С помощью эталонного вольтметра (сейчас подойдет любой цифровой мультиметр) и R11 выставляют равные по абсолютной величине напряжения каналов. Может быть, если ОУ без возможности балансировки, придется подобрать R10 или R12;
- Подстроечником R14 выставляют P1 точно на ноль.
О ремонте БП
БП выходят из строя чаще других электронных устройств: они принимают на себя первый удар бросков сети, им много чего достается и от нагрузки. Даже если вы не намерены делать свой БП, ИБП найдется, кроме компа, в микроволновке, стиралке и др. бытовой технике. Умение диагностировать БП и знание основ электробезопасности даст возможность если не устранить неисправность самому, то уж со знанием дела поторговаться о цене с ремонтниками. Поэтому посмотрим, как производится диагностика и ремонт БП, особенно с ИИН, т.к. свыше 80% отказов приходится на их долю.
Насыщение и сквозняк
Прежде всего – о некоторых эффектах, без понимания которых работать с ИБП нельзя. Первый из них – насыщение ферромагнетиков. Они не способны принять в себя энергии более определенной величины, зависящей от свойств материала. На железе любители с насыщением сталкиваются редко, его можно намагнитить до нескольких Тл (Тесла, единица измерения магнитной индукции). При расчете железных трансформаторов индукцию берут 0,7-1,7 Тл. Ферриты выдерживают только 0,15-0,35 Тл, их петля гистерезиса «прямоугольнее», и работают на повышенных частотах, так что вероятность «заскочить в насыщение» у них на порядки выше.
Если магнитопровод насытился, индукция в нем более не растет и ЭДС вторичных обмоток пропадает, хоть бы первичка уже плавилась (помните школьную физику?). Теперь выключим первичный ток. Магнитное поле в магнитомягких материалах (магнитожесткие – это постоянные магниты) не может существовать стационарно, как электрический заряд или вода в баке. Оно начнет рассеиваться, индукция падать, и во всех обмотках наведется ЭДС противоположной относительно исходной полярности. Этот эффект достаточно широко используется в ИИН.
В отличие от насыщения, сквозной ток в полупроводниковых приборах (попросту – сквозняк) явление безусловно вредное. Он возникает вследствие формирования/рассасывания объемных зарядов в p и n областях; у биполярных транзисторов – преимущественно в базе. Полевые транзисторы и диоды Шоттки от сквозняка практически свободны.
Напр., при подаче/снятии напряжения на диод он, пока заряды не соберутся/рассосутся, проводит ток в обеих направлениях. Именно поэтому потери напряжения на диодах в выпрямителях больше 0,7В: в момент переключения часть заряда фильтрового конденсатора успевает стечь через обмотку. В выпрямителе с параллельным удвоением сквозняк стекает сразу через оба диода.
Сквозняк транзисторов вызывает выброс напряжения на коллекторе, способный испортить прибор или, если подключена нагрузка, сквозным экстратоком повредить ее. Но и без того транзисторный сквозняк увеличивает динамические потери энергии, как и диодный, и уменьшает КПД устройства. Мощные полевые транзисторы ему почти не подвержены, т.к. не накапливают заряд в базе за ее отсутствием, и поэтому переключаются очень быстро и плавно. «Почти», потому что их цепи исток-затвор защищены от обратного напряжения диодами Шоттки, которые чуточку, но сквозят.
Типы ИНН
ИБП ведут свою родословную от блокинг-генератора, поз. 1 на Рис. 6. При включении Uвх VT1 приоткрыт током через Rб, по обмотке Wк течет ток. Мгновенно вырасти до предела он не может (снова вспоминаем школьную физику), в базовой Wб и обмотке нагрузки Wн наводится ЭДС. С Wб она через Сб форсирует отпирание VT1. По Wн ток пока не течет, не пускает VD1.
Когда магнитопровод насытится, токи в Wб и Wн прекращаются. Затем за счет диссипации (рассасывания) энергии индукция падает, в обмотках наводится ЭДС противоположной полярности, и обратное напряжение Wб мгновенно запирает (блокирует) VT1, спасая его от перегрева и теплового пробоя. Поэтому такая схема и названа блокинг-генератором, или просто блокингом. Rк и Ск отсекают ВЧ помехи, которых блокинг дает хоть отбавляй. Теперь с Wн можно снять некоторую полезную мощность, но только через выпрямитель 1П. Эта фаза продолжается, пока Сб не перезарядится полностью или пока не иссякнет запасенная магнитная энергия.
Мощность эта, впрочем, невелика, до 10Вт. Если попробовать взять больше, VT1 сгорит от сильнейшего сквозняка, прежде чем заблокируется. Поскольку Тр насыщается, КПД блокинга никуда не годится: более половины запасенной в магнитопроводе энергии улетает греть иные миры. Правда, за счет того же насыщения блокинг до некоторой степени стабилизирует длительность и амплитуду своих импульсов, а схема его очень проста. Поэтому ИНН на основе блокинга часто применяют в дешевых телефонных зарядках.
Примечание: величина Сб во многом, но не полностью, как пишут в любительских справочниках, определяет период повторения импульсов. Величина его емкости должна быть увязана со свойствами и размерами магнитопровода и быстродействием транзистора.
Блокинг в свое время породил строчную развертку телевизоров с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ), а она – ИНН с демпферным диодом, поз. 2. Здесь УУ по сигналам от Wб и цепи обратной связи ЦОС принудительно открывает/запирает VT1 прежде чем Тр насытится. При запертом VT1 обратный ток Wк замыкается через тот самый демпферный диод VD1. Это рабочая фаза: уже большая, чем в блокинге, часть энергии снимается в нагрузку. Большая потому, что при полном насыщении вся лишняя энергия улетает, а здесь этого лишку мало. Таким путем удается снимать мощность до нескольких десятков Вт. Однако, поскольку УУ не может сработать, пока Тр не подошел к насыщению, транзистор сквозит все-таки сильно, динамические потери велики и КПД схемы оставляет желать много большего.
ИИН с демпфером до сих пор живы в телевизорах и дисплеях с ЭЛТ, поскольку в них ИИН и выход строчной развертки совмещены: мощный транзистор и Тр общие. Это намного сокращает издержки производства. Но, откровенно говоря, ИИН с демпфером принципиально чахлый: транзистор и трансформатор вынуждены все время работать на грани аварии. Инженеры, сумевшие довести эту схему до приемлемой надежности, заслуживают глубочайшего уважения, но совать туда паяльник никому, кроме мастеров, прошедших профессиональную подготовку и обладающих соответствующим опытом, настоятельно не рекомендуется.
Двухтактный ИНН с отдельным трансформатором обратной связи применяется наиболее широко, т.к. обладает наилучшими качественными показателями и надежностью. Впрочем, по части ВЧ помех и он страшно грешит по сравнению с БП «аналоговыми» (с трансформаторами на железе и СНН). В настоящее время эта схема существует во множестве модификаций; мощные биполярные транзисторы в ней почти начисто вытеснены полевыми, управляемыми спец. ИМС, но принцип действия остается неизменным. Его иллюстрирует исходная схема, поз. 3.
Устройство ограничения (УО) ограничивает ток заряда емкостей входного фильтра Сфвх1(2). Их большая величина – непременное условие работы устройства, т.к. за один рабочий цикл из них отбирается малая доля запасенной энергии. Грубо говоря, они играют роль водонапорного бака или воздушного ресивера. При заряде «накоротко» экстраток заряда может превышать 100А на время до 100 мс. Rc1 и Rc2 сопротивлением порядка МОм нужны для симметрирования напряжения фильтра, т.к. малейший разбаланс его плеч недопустим.
Когда Сфвх1(2) зарядятся, устройство запуска УЗ формирует запускающий импульс, открывающий одно из плеч (какое – все равно) инвертора VT1 VT2. По обмотке Wк большого силового трансформатора Тр2 течет ток и магнитная энергия из его сердечника через обмотку Wн почти полностью уходит на выпрямление и в нагрузку.
Небольшая часть энергии Тр2, определяемая величиной Rогр, снимается с обмотки Wос1 и подается на обмотку Wос2 маленького базового трансформатора обратной связи Тр1. Он быстро насыщается, открытое плечо закрывается и за счет диссипации в Тр2 открывается ранее закрытое, как описано для блокинга, и цикл повторяется.
В сущности, двухтактный ИИН – 2 блокинга, «пихающих» друг друга. Поскольку мощный Тр2 не насыщается, сквозняк VT1 VT2 невелик, полностью «тонет» в магнитопроводе Тр2 и в конечном итоге уходит в нагрузку. Поэтому двухтактный ИИН может быть построен на мощность до нескольких кВт.
Хуже, если он окажется в режиме ХХ. Тогда за полуцикл Тр2 успеет насытиться и сильнейший сквозняк сожжет сразу оба VT1 и VT2. Впрочем, сейчас есть в продаже силовые ферриты на индукцию до 0,6 Тл, но они дороги и от случайного перемагничивания деградируют. Разрабатываются ферриты более чем на 1 Тл, но, чтобы ИИН достигли «железной» надежности, надо хотя бы 2,5 Тл.
Методика диагностирования
При поиске неисправностей в «аналоговом» БП, если он «тупо молчит», проверяют сначала предохранители, затем защиту, РЭ и ИОН, если в нем есть транзисторы. Звонятся нормально – идем дальше поэлементно, как описано ниже.
В ИИН, если он «заводится» и тут же «глохнет», проверяют сначала УО. Ток в нем ограничивает мощный резистор малого сопротивления, затем шунтируемый оптотиристором. Если «резик» видимо подгорел, меняют его и оптрон. Прочие элементы УО выходят из строя крайне редко.
Если ИИН «молчит, как рыба об лед», диагностику начинают тоже с УО (может, «резик» совсем сгорел). Затем – УЗ. В дешевых моделях в них используются транзисторы в режиме лавинного пробоя, что далеко не весьма надежно.
Следующий этап, в любых БП – электролиты. Разрушение корпуса и вытекание электролита встречаются далеко не так часто, как пишут в рунете, но потеря емкости случается гораздо чаще, чем выход из строя активных элементов. Проверяют электролитические конденсаторы мультиметром с возможностью измерения емкости. Ниже номинала на 20% и более – опускаем «дохляка» в отстой и ставим новый, хороший.
Затем – активные элементы. Как прозванивать диоды и транзисторы вы, наверное, знаете. Но тут есть 2 каверзы. Первая – если диод Шоттки или стабилитрон звонится тестером с батарейкой на 12В, то прибор может показать пробой, хотя диод вполне исправен. Эти компоненты лучше звонить стрелочным прибором с батарейкой на 1,5-3 В.
Вторая – мощные полевики. Выше (обратили внимание?) сказано, что их И-З защищены диодами. Поэтому мощные полевые транзисторы звонятся вроде бы как исправные биполярные даже негодными, если канал «выгорел» (деградировал) не полностью.
Тут единственный доступный дома способ – замена на заведомо исправные, причем обоих сразу. Если в схеме остался горелый, он немедленно потянет за собой новый исправный. Электронщики шутят, мол, мощные полевики жить друг без друга не могут. Еще проф. шуточка – «замена гей-пары». Это к тому, что транзисторы плеч ИИН должны быть строго однотипными.
Наконец, пленочные и керамические конденсаторы. Для них характерны внутренние обрывы (находятся тем же тестером с проверкой «кондюков») и утечка или пробой под напряжением. Чтобы их «выловить», нужно собрать простенькую схемку по Рис. 7. Пошагово проверка электрических конденсаторов на пробой и утечку осуществляется так:
- Ставим на тестере, никуда его не подключая, наименьший предел измерения постоянного напряжения (чаще всего – 0,2В или 200мВ), засекаем и записываем собственную погрешность прибора;
- Включаем предел измерения 20В;
- Подключаем подозрительный конденсатор в точки 3-4, тестер к 5-6, а на 1-2 подаем постоянное напряжение 24-48 В;
- Переключаем пределы напряжения мультиметра вниз вплоть до наименьшего;
- Если на любом тестер показал хоть что-то, кроме 0000.00 (на самом малом – что-то, кроме собственной погрешности), проверяемый конденсатор не годен.
На этом методическая часть диагностики заканчивается и начинается творческая, где все инструкции – собственные знания, опыт и соображение.
Пара импульсников
ИБП статья особая, вследствие их сложности и схемного разнообразия. Здесь мы, для начала, рассмотрим пару образцов на широтно-импульсной модуляции (ШИМ), позволяющей получить наилучшее качество ИБП. Схем на ШИМ в рунете много, но не так страшен ШИМ, как его малюют…
Для светодизайна
Просто зажечь светодиодную ленту можно от любого описанного выше БП, кроме того, что на Рис. 1, выставив требуемое напряжение. Хорошо подойдет СНН с поз. 1 Рис. 3, таких несложно сделать 3, для каналов R, G и B. Но долговечность и стабильность свечения светодиодов зависят не от приложенного к ним напряжения, а от протекающего через них тока. Поэтому хороший блок питания для светодиодной ленты должен включать в себя стабилизатор тока нагрузки; по-технически – источник стабильного тока (ИСТ).
Одна из схем стабилизации тока светоленты, доступная для повторения любителями, приведена на Рис. 8. Собрана она на интегральном таймере 555 (отечественный аналог – К1006ВИ1). Обеспечивает стабильный ток ленты от БП напряжением 9-15 В. Величина стабильного тока определяется по формуле I = 1/(2R6); в данном случае – 0,7А. Мощный транзистор VT3 – обязательно полевой, от сквозняка из-за заряда базы биполярного ШИМ просто не сформируется. Дроссель L1 намотан на ферритовом кольце 2000НМ K20x4x6 жгутом 5хПЭ 0,2 мм. К-во витков – 50. Диоды VD1 ,VD2 – любые кремниевые ВЧ (КД104, КД106); VT1 и VT2 – КТ3107 или аналоги. С КТ361 и т.п. диапазоны входного напряжения и регулировки яркости уменьшатся.
Работает схема так: вначале времязадающая емкость С1 заряжается по цепи R1VD1 и разряжается через VD2R3VT2, открытый, т.е. находящийся в режиме насыщения, через R1R5. Таймер генерирует последовательность импульсов с максимальной частотой; точнее – с минимальной скважностью. Безинерционный ключ VT3 формирует мощные импульсы, а его обвязка VD3C4C3L1 сглаживает их до постоянного тока.
Примечание: скважность серии импульсов есть отношение периода их следования к длительности импульса. Если, напр., длительность импульса 10 мкс, а промежуток между ними 100 мкс, то скважность будет 11.
Ток в нагрузке нарастает, и падение напряжения на R6 приоткрывает VT1, т.е. переводит его из режима отсечки (запирания) в активный (усилительный). Это создает цепь утечки тока базы VT2 R2VT1+Uпит и VT2 также переходит в активный режим. Ток разряда С1 уменьшается, время разряда увеличивается, скважность серии растет и среднее значение тока падает до нормы, заданной R6. В этом и есть суть ШИМ. На минимуме тока, т.е. при максимальной скважности, С1 разряжается по цепи VD2-R4-внутренний ключ таймера.
В оригинальной конструкции возможность оперативной регулировки тока и, соответственно, яркости свечения, не предусмотрена; потенциометров на 0,68 Ом не бывает. Проще всего регулировать яркость, включив после наладки в разрыв между R3 и эмиттером VT2 потенциометр R* на 3,3-10 кОм, выделено коричневым. Передвигая его движок вниз по схеме, увеличим время разряда С4, скважность и уменьшим ток. Другой способ – шунтировать базовый переход VT2, включив потенциометр примерно на 1 МОм в точки а и б (выделено красным), менее предпочтителен, т.к. регулировка получится более глубокой, но грубой и острой.
К сожалению, для налаживания этого полезного не только для светолент ИСТ нужен осциллограф:
- Подают на схему минимальное +Uпит.
- Подбором R1(импульс) и R3 (пауза) добиваются скважности 2, т.е. длительность импульса должна быть равна длительности паузы. Давать скважность меньше 2 нельзя!
- Подают максимальное +Uпит.
- Подбором R4 добиваются номинальной величины стабильного тока.
Для зарядки
На Рис. 9 – схема простейшего ИСН с ШИМ, пригодного для зарядки телефона, смартфона, планшета (ноутбук, к сожалению, не потянет) от самодельной солнечной батареи, ветрогенератора, мотоциклетного или автомобильного аккумулятора, магнето фонарика-«жучка» и др. маломощных нестабильных случайных источников электропитания. См. на схеме диапазон входных напряжений, там не ошибка. Этот ИСН и в самом деле способен выдавать на выход напряжение, большее входного. Как и в предыдущем, здесь наличествует эффект перемены полярности выхода относительно входа, это вообще фирменная фишка схем с ШИМ. Будем надеяться, что, прочитав внимательно предыдущее, вы в работе этой крохотульки разберетесь сами.
Попутно о заряде и зарядках
Заряд аккумуляторов весьма сложный и тонкий физико-химический процесс, нарушение которого в разы и десятки раз снижает их ресурс, т.е. к-во циклов заряд-разряд. Зарядное устройство должно по очень малым изменениям напряжения АКБ вычислять, сколько принято энергии и регулировать соответственно ток заряда по определенному закону. Поэтому зарядное устройство отнюдь и отнюдь не БП и заряжать от обычных БП можно только АКБ в устройствах со встроенным контроллером заряда: телефонах, смартфонах, планшетах, отдельных моделях цифровых фотокамер. А зарядка, которая зарядное устройство – предмет отдельного разговора.
Вопрос-ремонт.ру сказал(а):
Искрить от выпрямителя будет, но, возможно, ничего страшного. Дело в т. наз. дифференциальном выходном сопротивлении источника питания. У щелочных аккумуляторов оно порядка мОм (миллиом), у кислотных еще меньше. У транса с мостом без сглаживания – десятые и сотые доли Ом, т. е. прим. в 100 – 10 раз больше. А пусковой ток коллекторного мотора постоянного тока может быть больше рабочего раз в 6-7 и даже в 20. У вашего, скорее всего, ближе к последнему – быстро разгоняющиеся моторы компактнее и экономичнее, а огромная перегрузочная способность аккумуляторов позволяет давать движку тока, сколько съест на разгон. Транс с выпрямителем столько мгновенного тока не дадут, и двигатель разгоняется медленнее, чем на то рассчитан, и с большим скольжением якоря. От этого, от большого скольжения, и возникает искра, и в работе потом держится за счет самоиндукции в обмотках.
Что тут можно посоветовать? Первое: приглядитесь внимательнее – как искрит? Смотреть нужно в работе, под нагрузкой, т.е. во время распиловки.
Если искорки пляшут в отдельных местах под щетками – ничего страшного. У меня мощная конаковская дрель от рождения так искрит, и хоть бы хны. За 24 года один раз менял щетки, мыл спиртом и полировал коллектор – всего-то. Если вы подключали инструмент на 18 В к выходу 24 В, то небольшое искрение это нормально. Отмотать обмотку или погасить избыток напряжения чем-то вроде сварочного реостата (резистор прим. 0,2 Ом на мощность рассеяния от 200 Вт), чтобы в работе на моторе было номинальное напряжение и, скорее всего, искра уйдет. Если же подключали к 12 В, надеясь, что после выпрямления будет 18, то зря – выпрямленное напряжение под нагрузкой сильно садится. А коллекторному электромотору, между прочим, все равно, постоянным он током питается или переменным.
Конкретно: возьмите 3-5 м стальной проволоки диаметром 2,5-3 мм. Сверните в спираль диаметром 100-200 мм так, чтобы витки не касались друг друга. Уложите на несгораемую диэлектрическую подкладку. Концы провода зачистите до блеска и сверните «ушами». Лучше всего сразу промазать графитовой смазкой, чтобы не окислялись. Этот реостат включается в разрыв одного из проводов, ведущих к инструменту. Само собой, что контакты должны быть винтовые, затянутые натуго, с шайбами. Подключайте всю цепь к выходу 24 В без выпрямления. Искра ушла, но и мощность на валу упала – реостат нужно уменьшить, переключить один из контактов на 1-2 витка ближе к другому. Все равно искрит, но меньше – реостат маловат, нужно добавить витков. Лучше сразу сделать реостат заведомо большим, чтобы не прикручивать добавочные секции. Хуже, если огонь по всей линии контакта щеток с коллектором или за ними тянутся искровые хвосты. Тогда к выпрямителю нужен сглаживающий фильтр где-то, по вашим данным, от 100 000 мкФ. Недешевое удовольствие. «Фильтр» в данном случае будет накопителем энергии на разгон мотора. Но может и не помочь – если габаритной мощности трансформатора маловато. КПД коллекторных электродвигателей постоянного тока прим. 0,55-0,65, т.е. транс нужен от 800-900 Вт. Т.е., если фильтр поставили, но все равно искрит с огнем под всей щеткой (под обоими, разумеется), то трансформатор не дотягивает. Да, если ставить фильтр, то и диоды моста должны быть на тройной рабочий ток, не то могут вылететь от броска тока заряда при включении в сеть. А инструмент тогда можно будет запускать спустя 5-10 с после включения в сеть, чтобы «банки» успели «накачаться».
И хуже всего, если хвосты искр от щеток дотягиваются или почти дотягиваются до противоположной щетки. Это называется круговой огонь. Он очень быстро выжигает коллектор до полной негодности. Причин кругового огня может быть несколько. В вашем случае наиболее вероятная – мотор включался на 12 В с выпрямлением. Тогда при токе 30 А электрическая мощность в цепи 360 Вт. Скольжение якоря выходит больше 30 градусов за оборот, а это обязательно сплошной круговой огонь. Не исключено также, что якорь мотора намотан простой (не двойной) волной. Такие электромоторы лучше преодолевают мгновенные перегрузки, но уж пусковой ток у них – мама, не горюй. Точнее заочно не могу сказать, да и ни к чему – своими руками тут вряд ли что исправимо. Тогда, наверное, дешевле и проще будет найти и приобрести новые аккумуляторы. Но сначала все же попробуйте включить движок на немного повышенном напряжении через реостат (см. выше). Почти всегда таким способом удается сбить и сплошной круговой огонь ценой небольшого (до 10-15%) уменьшения мощности на валу.
С изобретением стабилитрона появилась прекрасная возможность стабилизировать переменное напряжение. Это необходимо для нормальной работы многих бытовых устройств. Современный стабилизированный обладает хорошими выходными характеристиками и используется практически во всех схемах электроники. Его можно найти в магнитофонах, телевизорах, зарядных устройствах, компьютерах и т.д.
От качественного питания схемы зависит многое. Это в первую очередь стабильность работы всего устройства. Кроме бытовых приборов, стабилизированный источник питания широко используется на производстве. С его помощью осуществляется питание схем электроники, которая участвует в управлении технологическими процессами. К качеству источников постоянного напряжения предъявляются особые требования, ведь от их работы зависит нормальное функционирование всей технологической линии.
Обычно стабилизаторы переменного напряжения имеют в своем составе который представляет собой обыкновенный в одном плече которого включен стабилитрон. Схема эта настолько проста и надежна в эксплуатации, что ее использование в электронике стало хорошим тоном при проектировании различных устройств.
Нелинейная характеристика стабилитрона позволяет формировать управляющее напряжение, которое поступает на на основе транзистора. На выходе устройства обычно ставятся электролитические конденсаторы. Их задача - выпрямить стабилизированное напряжение. Такая схема имеет очень хорошие характеристики, пульсации на выходе не превышают одного процента. К достоинствам также можно отнести и низкий уровень излучаемых помех. Но такой стабилизированный имеет и свои недостатки. Это низкий КПД и большие габариты, так как в нем применяют силовой
Попытки исправить эти недостатки привели к созданию устройств, в которых осуществляется импульсный принцип преобразования. Работа таких источников основана на выпрямлении переменного напряжения и преобразовании его в импульсное частотой до 1000 Гц и выше. Его трансформация может осуществляться с помощью малогабаритных трансформаторов. Это привело к уменьшениям габаритов и увеличению КПД устройства.
Далее напряжение стабилизируется и сглаживается конденсаторами. Такой стабилизированный источник питания имеет высокий КПД и малые габариты. Но обладает высоким уровнем помех на выходе. Их использование целесообразно в бытовых устройствах, где такой параметр, как габариты, имеет большое значение.
Для организации домашней лаборатории полезно приобрести или изготовить самостоятельно стабилизированный блок питания. Он поможет в настройке схем и первоначальной подаче необходимого напряжения. Такие блоки широко применяются в лабораториях на производстве, с их помощью можно ремонтировать старые или создавать новые электронные устройства.
Вся электронная аппаратура питается от источников постоянного тока. Для мобильной аппаратуры, как правило, используются аккумуляторы или гальванические батареи. Сейчас такой аппаратуры в руках и карманах предостаточно: это мобильные телефоны, фотоаппараты, планшетные компьютеры, различные измерительные приборы и еще многое другое.
Стационарная электроника, - телевизоры, компьютеры, музыкальные центры и т.п. питается от сети переменного тока с помощью блоков питания. Здесь уже ни в коем случае не обойтись батарейками или малогабаритными аккумуляторами.
Электронные устройства часто не являются самостоятельными и работающими «сами по себе». Прежде всего, это встраиваемые электронные блоки, например блок управления стиральной машиной или микроволновой печью. Но даже и в этом случае электронные блоки имеют свои отдельные , чаще всего даже стабилизированные, и даже с защитой, что позволяет защитить как сам блок питания, так и нагрузку, т.е. подключенный блок управления.
В конструкциях разрабатываемых радиолюбителями всегда имеется блок питания, если, конечно, эта конструкция доведена до конца, а не заброшена на полдороги. К сожалению, такое случается достаточно часто. Но в общем случае конструирование какой-либо схемы состоит из нескольких этапов.
Среди них разработка принципиальной схемы, а также сборка и отладка ее на макетной плате. И только после получения требуемых результатов на макетке, приступают к разработке капитальной конструкции. Вот тогда разрабатывают монтажные платы, корпус и блок питания.
В процессе опытов на макетной плате чаще всего используются так называемые . Один и тот же блок приходится использовать для наладки самых различных конструкций, поэтому он должен обладать широкими возможностями.
Как правило, это блок с регулированием выходного напряжения, и обеспечивающий достаточный ток. Иногда блок питания выдает несколько напряжений, такие блоки называют многоканальными. Примером может служить обычный компьютерный блок питания или двухполярный источник для мощного УМЗЧ.
Когда блок питания рассчитан на одно фиксированное напряжение, например 5В, то совсем неплохо предусмотреть защиту от превышения выходного напряжения: если пробило выходной транзистор стабилизатора, то может пострадать схема, которая от него питается.
Хотя такая защита не очень сложна, всего несколько деталей, в промышленных схемах ее почему-то не делают, и она встречается только в радиолюбительских конструкциях, да и то не во всех. Но, тем не менее, такие схемы защиты есть.
Если внимательно посмотреть на устройства - потребители, то можно заметить, что все электронные устройства питаются напряжениями из стандартного ряда. Это, прежде всего, 5, 9, 12, 15, 24В. Исходя из этих значений, выпускается целый ряд интегральных стабилизаторов с фиксированными напряжениями.
По внешнему виду эти стабилизаторы напоминают обычный транзистор в корпусе TO-220 (похожий на КТ819) либо в корпусе D-PAK для поверхностного монтажа. Выходное напряжение имеет значения 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24V. Эти напряжения отражаются прямо в маркировке стабилизаторов нанесенной на корпус прибора. Примерно это может выглядеть так: MC78XX или LM78XX.
В даташитах написано, что это трехвыводные стабилизаторы с фиксированным напряжением, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1.
Схема включения предельно проста: запаяли всего три ноги и получили стабилизатор с требуемым напряжением и выходным током от 1…2А. В зависимости от конкретно взятого стабилизатора токи меняются, на что следует обратить внимание в документации. Кроме этого интегральные стабилизаторы имеют встроенную защиту от перегрева и защиту по току.
Первые две буквы указывают фирму производителя, а вторые XX заменяются цифрами, показывающими напряжение стабилизации, иногда первые две буквы заменяются одной…тремя или вовсе не указываются. Например, MC7805 обозначает стабилизатор с фиксированным напряжением 5В, а MC7812 то же, но с напряжением на выходе 12В.
Кроме стабилизаторов с фиксированными напряжениями в интегральном исполнении существуют регулируемые стабилизаторы, например LT317A, типовая схема включения которого показана на рисунке 2. Там же указаны и пределы регулировки напряжения.
Рисунок 2. Типовая схема включения регулируемого стабилизатора LT317A
Иногда просто нет под рукой регулируемого стабилизатора, как же решить эту проблему, можно ли обойтись без него? Ну, надо вот напряжение 7,5В и все тут! Оказывается, что из стабилизатора с фиксированным напряжением легко получается регулируемый. Подобная схема включения показана на рисунке 3.
Рисунок 3.
Диапазон регулировки в этом случае начинается от фиксированного напряжения примененного стабилизатора и ограничивается лишь величиной входного напряжения, естественно, за вычетом минимального падения напряжения на регулирующем транзисторе стабилизатора.
Если не требуется регулировки напряжения, а просто вместо 5В требуется получить, например 10, достаточно просто убрать транзистор VT1 и все, что с ним связано, а вместо него включить стабилитрон с напряжением стабилизации 5В. Естественно, что стабилитрон включается в непроводящем направлении: анод подключается к минусовой шине питания, а катод к 8 (2) выводу стабилизатора.
Заслуживает внимания нумерация выводов трехногого корпуса, показанная на рис.3, а именно: 17, 8, 2! Откуда она взялась, кто ее придумал - непонятно. Наверно, это снова происки наших разработчиков, чтобы «ихние» не догадались! Но такая цоколевка применяется, и с этим приходится мириться.
После того, как были рассмотрены интегральные стабилизаторы можно перейти к изготовлению блоков питания на их основе. Для этого необходимо только найти подходящий трансформатор, дополнить его диодным мостом с электролитическим конденсатором, и все это собрать в подходящем корпусе.
Лабораторный блок питания
Приступая к разработке лабораторного блока питания, следует определиться с его элементной базой, или, попросту говоря, из чего будем его делать. Проще всего желаемый блок собрать на микросхеме LT317A или ее отечественном аналоге КР142ЕН12А(Б) - регулируемые стабилизаторы напряжения.
Вернемся к рисунку 2. Там указано, что диапазон регулировки напряжения 1,25…25В. Предельно допустимое значение этого параметра до 1,25…37В, при входном напряжении 45В. Это предельно допустимое напряжение, поэтому лучше ограничиться 25 вольтовым диапазоном регулирования.
За максимальным током (1,5А) тоже лучше не гнаться, поэтому будем исходить из расчета хотя бы на один ампер, что как раз составляет 75%. Как никак запас прочности должен быть всегда. Поэтому для подобного блока питания понадобится с напряжением не менее 30…33В и током до 1А.
C хема выпрямителя показана на рисунке 4. В случае, если потребляемый ток более одного ампера, стабилизатор следует дополнить внешними мощными транзисторами. Но это уже другая схема.
Рисунок 4. Схема выпрямителя
Расчет выпрямителя и трансформатора
Прежде всего, следует подобрать диоды выпрямительного моста, их прямой ток тоже должен быть не менее 1А, а лучше, если хотя бы 2А или больше. Здесь вполне подойдут диоды 1N5408 с прямым током 3А и обратным напряжением 1000В. Подойдут также отечественные диоды КД226 с любым буквенным индексом.
Электролитический конденсатор фильтра также можно просто подобрать, пользуясь практическими рекомендациями: на каждый ампер выходного тока одна тысяча микрофарад. Если мы планируем ток не более 1А, то подойдет конденсатор емкостью 1000µF. Электролитические конденсаторы, в отличие от керамических, не выносят повышенных напряжений, поэтому в схемах всегда указывают их рабочее напряжение, которое должно быть выше реального в данной цепи.
Для проектируемого блока питания понадобится конденсатор 1000µF * 50V. Ничего плохого не произойдет, если емкость конденсатора будет не 1000, а 1500…2000µF. Собственно выпрямитель уже сконструирован. Теперь, как говорится, дело за малым: осталось рассчитать трансформатор.
Прежде всего, следует определить мощность трансформатора. Это делается с учетом мощности нагрузки. Если выходной ток стабилизатора принять 1А, а входное напряжение стабилизатора 32В, то мощность, потребляемая от вторичной обмотки трансформатора P = U * I = 32 * 1 = 32Вт.
Какой потребуется трансформатор при такой мощности вторичной цепи? Все зависит от КПД трансформатора, чем больше габаритная мощность, тем выше КПД. На этот параметр влияет также качество и конструкция трансформаторного железа. Приблизительно определиться с этим вопросом поможет таблица, показанная на рисунке 5.
Рисунок 5.
Чтобы узнать габаритную мощность трансформатора надо мощность во вторичной обмотке разделить на КПД трансформатора. Предположим, что в нашем распоряжении имеется обычный трансформатор с Ш - образным железом, обозначенный в таблице как «броневой штампованный». Расчетная мощность проектируемого блока питания 32Вт, тогда мощность трансформатора 32 / 0,8 = 40Вт.
Как было написано чуть выше, для разрабатываемого блока питания требуется постоянное напряжение 30…33В. Тогда напряжение вторичной обмотки трансформатора составит 33 / 1,41 = 23,404В.
Это позволяет выбрать стандартный трансформатор с напряжением вторичной обмотки на холостом ходу 24В.
Чтобы не усложнять расчетов здесь не учитывается падение напряжения на диодах моста и на активном сопротивлении вторичной обмотки. Достаточно лишь сказать, что при токе в 1А диаметр провода вторичной обмотки обычно принимается не менее 0,6мм.
Такой трансформатор можно подобрать из унифицированных трансформаторов серии ТПП. Мощность трансформатора может быть и больше 40Вт это только улучшит надежность блока питания, хотя несколько увеличит его вес. Если трансформатор ТПП приобрести не удалось, то можно просто перемотать вторичную обмотку трансформатора подходящей мощности.
Если потребуется двухполярный регулируемый блок питания, то его можно собрать по схеме, показанной на рисунке 6. Для этого понадобится стабилизатор напряжения отрицательной полярности КР142ЕН18А или LM337. Схема его включения очень похожа на КР142ЕН12А.
Рисунок 6. Схема двухполярного регулируемого блока питания
Совершенно очевидно, что для питания такого стабилизатора понадобится и двухполярный выпрямитель. Проще всего это делается на трансформаторе со средней точкой и диодном мосте, как показано на рисунке 7.
Рисунок 7. Схема двухполярного выпрямителя
Конструкция блока питания произвольная. Собственно выпрямитель и плату стабилизаторов можно собрать на отдельных платах или на одной. Микросхемы следует установить на радиаторы площадью не менее 100 квадратных сантиметров. Если хочется уменьшить размеры радиаторов можно применить принудительное охлаждение с помощью небольших компьютерных кулеров, коих сейчас в продаже предостаточно.
Несколько улучшенная схема включения стабилизатора показана на рисунке 8.
Рисунок 8.Типовая схема включения КР142ЕН12А
Диоды VD1, VD2 защитные типа 1N4007 предназначены для защиты микросхемы от пробоя в случае, когда напряжение на выходе превысит напряжение на входе. Такая ситуация может произойти при выключении микросхемы. Поэтому емкость электролитического конденсатора C2 не должна быть больше, чем емкость электролитического конденсатора на выходе диодного моста.
Конденсатор Cadj, подключенный к регулирующему выводу значительно снижает пульсации на выходе стабилизатора. Его емкость обычно несколько десятков микрофарад.
В конструкции блока питания желательно предусмотреть встроенные вольтметр и амперметр, лучше электронные, которые продаются в интернет-магазинах. Вот только цены у них кусаются, поэтому поначалу лучше обойтись без них, а требуемое напряжение установить с помощью мультиметра.
Стабилизированный транзисторный блок питания для ламповых радиоприёмников, трансиверов и пр. ламповой техники с широким диапазоном выходных напряжений
Напряжения питания ламповой аппаратуры (анодное и накальное) желательно стабилизировать. Это позволит получить не только хорошую стабильность параметров, кардинально решить проблему фона, но, и это тоже важно, обеспечить стабильные режимы ламп, а значит их нормальную работу и долговечность, при изменении напряжения электросети в широких пределах, что в наших условиях отнюдь не редкость, особенно в зимнее время. Современные компоненты позволяют создать эффективные, надежные и при этом достаточно простые схемные и компактные конструктивно решения анодного и накального стабилизаторов.
Для большей универсальности применения и повышенной надёжности в нём применены более мощные и высоковольтные транзисторы, в анодном стабилизаторе улучшена схема защиты от перегрузки по току и предусмотрена защита от превышения рассеиваемой мощности. В накальном стабилизаторе для лучшей повторяемости вместо довольно редкого по нынешним временам и имеющего большой разброс параметров полевого транзистора КП103 применён биполярный.
Схема блока питания приведена и на рисунке выше. Для снижения мультипликативного фона диоды всех выпрямителей шунтированы керамическими конденсаторами. Анодный стабилизатор выполнен на высоковольтных транзисторах VT2,0VT1. Регулирующий транзистор 0VT1 включен по схеме с ОИ, что обеспечивает не только большое усиление в петле регулирования, и, следовательно, достаточно большой коэффициент стабилизации (не менее), но и очень малое допустимое падение напряжение на регулирующем транзисторе (порядка 0,5В), что обусловило его довольно высокую эффективность и экономичность.
Резистор R2 подает отрицательное открывающее напряжение в базу VT2, осуществляя в момент включения запуск стабилизатора в рабочий режим. В начальный момент стабилитрон VD7 закрыт, а шунтирующее влияние цепей нагрузки отсечено диодом VD6, что и обеспечивает надежный запуск стабилизатора при довольно большом сопротивлении резистора R1 (1Мом) и при этом практически не ухудшает параметров стабилизатора, поскольку в рабочем режиме ток через этот резистор эффективно замыкается малым дифференциальным сопротивлением открытого стабилитрона VD7.
Предусмотрены защиты транзисторов от перегрузки как по напряжению на затворе (для VT2 - VD10,R7, для 0VT1 - VD9,R13) , так и по току (цепь VT1,R9,0VT1 совместно с R6 образуют классический стабилизатор тока, при указанных на схеме элементах ограничение по току задано порядка 250мА — определяется как Iк.з[A].=0,55В/ R6[Ом] и может быть легко изменено под свои нужды, например при 1 Оме ограничение по току будет порядка 0,5 А), благодаря чему этот стабилизатор обладает очень высокой надежностью и при этом, разумеется, защищены от перегрузки по току и к.з. и выпрямитель с сетевым трансформатором(подразумевается, что трансформатор способен выдавать такой ток).
Максимальный выходной ток стабилизатора определяется только допустимой мощностью рассеяния VT2 и для сохранения надежности нужно выбирать таким, чтобы средняя рассеиваемая мощность не превышала половины (лучше трети) максимально допустимой. К примеру, для указанного на схеме IRF830 Pmax=100Вт (разумеется, при достаточной площади радиатора или шасси, не менее 15 кв.см на каждый Вт), в нашей схеме напряжение выпрямителя будет порядка +215В, при выходном +150В падение напряжение на транзисторе 65В. Если задать резистором R6 максимальный выходной ток можно задать 0,5А, то в штатном режиме рассеиваемая мощность составит 32,5 Вт, при аварийном коротком замыкании выхода (К.З.) рассеиваемая мощность 107Вт превысит максимально допустимую и если вовремя не устранить режим К.з., транзистор выйдет из строя. Дабы исключить такую ситуацию, в схеме предусмотрена защита регулирующего транзистора от превышения рассеиваемой мощности, выполненная на VD12,R14,VD11.
Рабочее напряжение стабилитрона VD11 выбирается в 1,5-2 раза большим падения напряжения на регулирующем транзисторе в штатном режиме. При возникновении перегрузки по току или К.З. цепь ограничения по току срабатывет и ограничивает выходной ток на заданном уровне, подзапирая регулирующий транзистор 0VT1, падение напряжения на нём растёт и как только оно достигает напряжения открывания стабилитрона VD11, через него и резисторы R14,R9 начинает протекать ток. Падение напряжение на R9 дополнительно приокрывает VT1. При этом ток стабилизации определяется уже по формуле Iк.з[A].=(0,55В-Ur9)/R6[Ом]. Т.о. при достижении падения напряжения на R9 порядка 0,55В или больше, цепь стабилизатора тока полностью закроет регулирующий транзистор и стабилизатор не запустится даже после снятия перегрузки.
Для исключения этого «самозащёлкивания» стабилизатора введён германиевый диод VD11, который стабилизирует напряжение Ur9 на уровне примерно 0,4В, тем самым фиксируя ток К.З. на уровне примерно 025…0,3 от установленного. Что в нашем примере соответствует 0,5 А*(0,25..0,3)=0,125..0,16 А. При этом мощность рассеяния на превысит те же 32 Вт.
С другой стороны, если не планируется таких больших выходных напряжений и токов, то цепь защиты регулирующего транзистора от превышения рассеиваемой мощности VD12,R14,VD11 можно не устанавливать. Например, при указанных на схеме входном переменном напряжении 152 В (на выпрямителе примерно 213 В) и установленном токе защиты 0,25 А (R6=2,2 Ом) при К.З. мощность рассеяния не превысит 152В*0,25А=38Вт.
Выходное стабилизированное напряжение определяется суммой напряжений стабилитронов VD7,VD13, точнее Uстаб=Uvd7+Uvd13 - 0,6В (напряжение открывания VT2). Для получения +140в допустимы любые наборы стабилитронов, обеспечивающие требуемую сумму напряжений. Если их несколько, то их надо разбить на группы, обеспечивающие примерно равные значения стабилизации (70в+-30в). Группу с меньшим значением напряжения стабилизации использовать в качестве VD7, а с бОльшим - VD13.
Величина токозадающих резисторов выбирается с целью снижения рассеиваемой мощности из расчета обеспечить протекание через стабилитрон тока на 1-2мА больше минимального тока стабилизации, при этом R1=Uvd13/(IminVD7+1..2мА), а R16=Uvd7/(IminVD13+1..2мА).
Здесь можно применить широко распространенные стабилитроны серий Д816, Д817, например для 140В Д817Г+Д816Г, но если планируется расположить основную часть элементов блока питания на печатной плате, стОит приобрести малогабаритные стабилитроны серии КС (или аналогичные импортные) — они более удобны для печатного монтажа, чем серии Д816,Д817. Для 140В кроме указанного на схеме еще один хороший вариант КС568+КС582, но это могут быть и цепочки из нескольких других подобных КС539,547,551,591,596, дающие в сумме требуемые 140В, например КС568в(VD8) и КС568в + малый стабилитрон типа Д814Д, КС515а(VD11).
Подбором этих стабилитронов стабилизатор может быть перестроен практически на любое напряжение в пределах от +12 до +360 В. Максимальное напряжение с выпрямителя, которое можно подать на этот стабилизатор определяется допустимым для транзистора VT3 и при сохранении высокой надежности для указанного на схеме BF488 не должно превышать +400В. Минимальное падение напряжения на регулирующем транзисторе 0,5В + амплитуда напряжения пульсаций, составляющая при ёмкости С15 100 мкФ примерно 10 В на каждые 100 мА тока нагрузки, т.о. при стабильном сетевом напряжении верхний предел выходного напряжения может достигать +360В. Замена высоковольтного p-n-p транзистора BF488 в анодном стабилизаторе - MPSA94, а при меньшем напряжении выпрямителя (не более 350В) — MPSA92G, а если не более 200В, то BF421,BF423.
В качестве VT2 можно применять любые IRF7xx, IRF8xx. При меньшем напряжении выпрямителя (не более 200в) IRF6хх. Сток регулирующего транзистора VT2 подключен к общему проводу, поэтому ему не требуется отдельный изолированный радиатор и можно использовать в качестве радиатора металлическое шасси.
Стабилизатор накального напряжения +6,3в выполнен на транзисторах VT3,0VT2 по такой же структуре. Но схема получилась существенно проще предыдущей благодаря тому, что здесь нет опасных для затвора напряжений и нет необходимости в соответствующих элементах защиты. Несмотря на исключительную схемную простоту этот стабилизатор обладает вполне достойными параметрами: коэффициент стабилизации — более 200, температурная и временная стабильность — не хуже 0,1%, весьма малое выходное сопротивление (не более 0,02 ома - при увеличении нагрузки с 0,7а до 2А выходное напряжение уменьшилось всего на 20 мВ), но главное — максимальный выходной ток этого стабилизатора ограничен только мощностью источника питания и возможностями регулирующего транзистора. При этом для регулирующего транзистора также не нужно отдельного радиатора (разумеется, что корпус или шасси металлические). С IRF540 накальный стабилизатор, несмотря на отсутствие защиты по току, вообще неубиваемый - это нечаянно проверено на практике (hi!) — при испытаниях случайно посадил каплю припоя между общим проводом и +6,3В, полное к.з. Минуту все работало в таком виде — пока сообразил, что произошло и отчего анодные напряжения вдруг стали низкие (порядка +30в). Все живое, транзистор еле теплый, только трансформатор немного нагрелся.
Выходное напряжение определяется суммой напряжений Uвых=Uvd14+Uu2-0,6В (напряжение открывания VT3). Настройка его заключается в установке требуемого выходного напряжения — подстроечным резистором R8. В качестве VT3 можно применить практически любые кремниевые p-n-p транзисторы. Минимальное падение напряжение на регулирующем транзисторе VT4 в режиме стабилизации примерно 0,5В (2А, IRF540), но что примечательно — при дальнейшем снижении входного напряжения стабилизатор не отключается, остается в работе, только выходное напряжение чуть меньше входного (на напряжение насыщение полевика, примерно на 0,1-0,2В) — т.е лампы будут нормально функционировать и при входном напряжении меньше номинального. При этом как только входное напряжение повысится до +6,8В — стабилизатор автоматически примется за свою работу.
Ёмкость конденсатора С7 должна быть не менее 7000 мкФ на каждый 1А ток нагрузки, т.е. при 2А нужно не менее 14000 мкФ. В качестве VD3,VD4 для снижения потерь желательно применять диоды Шоттки, рассчитанные на максимальный ток в 3-5раз больший рабочего (например, 1N5820-22. SR5100 и т.п.) - это уменьшит потери напряжения на диодах выпрямителя. Т.к. запас напряжения выпрямителя (при стандартной накальной обмотке) небольшой, имеет смысл здесь побороться даже за десятые доли вольта, это обеспечит нормальную работу стабилизатора при меньшем напряжении сети, что в зимнее время отнюдь не редкость.
На диодах VD2,VD4 и конденсаторе С3 собран выпрямитель +14В для питания вспомогательных цепей (питания реле, цифровой шкалы и т.п.) с током нагрузки до 1 А.
Конструкция и детали. Помехоподавляющий фильтр 0С1, 0L1,0С2,0С3,0С4 в зависимости от мощности БП может быть как готовым, например, такой
или от компьютерных блоков питания. При самостоятельном изготовлении помехоподавляющего фильтра конденсаторы могут металлобумажными, пленочными, металлопленочными (из отечественных это, к примеру серии К40-хх, К7х-хх, импортные MKT,MKP и пр.) емкостью 10-22нФ на рабочее напряжение не менее 400в. Катушка выполняется на ферритовом кольце диаметром 16-20мм с проницаемостью на менее 2000 сдвоенным проводом в хорошей изоляции (тонкий МГТФ, телефонная или «компьютерная» витая пара и пр.) - 20-30витков.
Вместо ТАН1 возможно применение любого унифицированного или от другого трансформатора, обеспечивающего требуемые напряжения по переменному току. Диодные мостики Br1, Br2 могут быть любыми, допускающие обратное напряжение в 2 раза больше поступающего переменного напряжения при максимально допустимом токе не менее установленного тока защиты, например отечественные КД402-405, импортные 2W10 и пр., на плате предусмотрена возможность установки вместо мостика отдельных диодов типа 1N4007 и т.п. Интегральный стабилизатор TL431 с некоторым ухудшением параметров можно заменить на светодиод с напряжением порядка 2,5В.
Постоянные резисторы малогабаритные серий МЛТ, МТ или аналогичные импортные, рассчитанные на мощность рассеяния не меньше указанной на схеме.
Налаживание блока питания. Проверив правильность монтажа, первое включение проводим без нагрузки. Если выходные напряжения на холостом ходу существенно (более, чем на 5%) отличаются от требуемых, точнее подбирают напряжения стабилитроны, как указано выше. Проверяют нагрузочную способность стабилизаторов. Кратковременно подключив к цепи +140в резистор 1,5кОм рассеиваемой мощностью не менее 2Вт, убеждаемся, что выходное напряжение уменьшилось не более, чем 2-3В. К выходу накального стабилизатора подключаем проволочный резистор 5,1 ом мощностью не менее 5Вт и триммером R8 выставляем выходное напряжение 6,25-6,3В.
Основные параметры анодного стабилизатора:
- максимальное входное переменное напряжение - 280В (400В после выпрямителя)
- выходное стабилизированное напряжение - от 50 до 360В с шагом 10 В (см. таблицу на схеме)
- максимальный ток стабилизации 0,5 А (см. текст)
Основные параметры накального стабилизатора:
- максимальное входное переменное напряжение - 11В (15В после выпрямителя)
- выходное стабилизированное напряжение - 6,3 В
- коэффициент стабилизации не менее 200
- максимальный ток стабилизации 2 А (см. текст)
- выходное сопротивление - не более 0,02 Ом
Также на плате предусмотрены дополнительный выпрямитель нестабилизированного напряжения и стабилизированного уровнем 0т +5 до +11В (устанавливается при регулировке) для питания вспомогательных цепей (питания реле, цифровой шкалы и т.п.) с током нагрузки до 1 А.
В данной статье расскажем про универсальный блок стабилизированного питания, про их основные требования и сбор схемы описанного блока питания.
В различных источниках – интернете, книжных изданиях встречаются схемы стабилизированных источников питания. Как правило, чем совершеннее (лучше) схема, тем она сложнее.
Источники питания стабилизированным напряжением имеющие широкие пределы регулирования выходного напряжения, высокую нагрузочную способность, защиту от превышения тока нагрузки и при этом – низкий коэффициент пульсаций классически состоят из следующих основных элементов:
— понижающий трансформатор;
— выпрямительный мост;
— сглаживающие фильтры;
— схема компенсационного стабилизатора напряжения.
Дополнительно используются:
— контрольные измерительные приборы;
— схема (элементы) защиты от перегрузки.
Мной были изучены различные варианты лабораторных блоков стабилизированного питания, схемы которых публикуют в различных изданиях.
Основные требования, предъявленные к источникам питания:
1. Пределы регулировки постоянного выходного напряжения – 0…25 вольт;
2. Максимальный ток нагрузки – 10 А;
4. Нестабильность выходного напряжения при нестабильности напряжения в сети 20% — не более 0,3%;
5. Порог срабатывания защиты по току – от 6 А и выше (устанавливается по желанию).
Эти требования довольно высоки и очень мало вариантов получения таких характеристик без значительного усложнения схем.
В результате изучения и переработки схем мощных источников питания была разработана наиболее оптимальная простейшая схема источника стабилизированного напряжения, полностью удовлетворяющая высоким предъявленным требованиям по параметрам.
Для уменьшения количества элементов (упрощения схемы), за основу стабилизатора был взят микросхемный стабилизатор напряжения с плавной регулировкой выходного напряжения – LM317 (его отечественный аналог – КР142ЕН12А). Исполнена микросхема в обычном транзисторном корпусе ТО-220. Возможна замена этой микросхемы на LM350, LM338, LТ1083 (аналог – КР142ЕН22А), LТ1084 (аналог – КР142ЕН22), LТ1085 (аналог – КР142ЕН22Б). Все эти микросхемы обладают хорошей нагрузочной способностью (в зависимости от микросхемы – от 3-х, до 7,5 ампер). Они все имеют собственную защиту от перегрузки по току, но так как предъявлено требование к выходному току в 10 ампер, то эта защита в моей схеме не используется. Кроме того, имеется недостаток – минимальное напряжение, которое микросхема выдаёт – 1,25 вольта, а нам надо – 0 вольт. Для возможности получения выходного напряжения от нуля, радиолюбителями предлагаются схемы с дополнительными источниками отрицательного напряжения смещения, но мы пойдём по другому пути.
Для получения выходного напряжения от 0 вольт и повышения нагрузочной способности до тока более 10 ампер, в представленной мной схеме используются два составных транзистора КТ827А. Суть снижения минимального предела выходного напряжения до нуля состоит в том, что эти самые 1,25 вольта «падают» на базово-эмиттерных переходах транзисторов. О том, что это за падение, я описывал в своей статье Стабилизаторы напряжения, их расчёт . Кроме того, поставив в схему два составных транзистора КТ827А мы «убиваем второго зайца» – значительно увеличиваем нагрузочную способность блока питания, подняв запас по току до 40 ампер, чем повышаем надёжность блока питания. Для выравнивания токов нагрузки между транзисторами в эмиттерных цепях транзисторов используются резисторы R13 и R14. Регулировка выходного напряжения блока питания осуществляется резистором R10.
В основном все «продвинутые» изученные мной схемы в качестве элементов защиты используют либо оптопары, либо электромагнитные реле. Мне это крайне не понятно потому, что оптопары обычно используются для гальванической развязки, а в представленных схемах никакой гальванической развязки и не требовалось. Электромагнитные реле, это довольно медлительный элемент схемы, способный «залипать» и тогда Ваш блок питания всё равно сгорит. Реле – это элемент электрики, а не электроники. Я лично использую электромагнитное реле, в крайнем случае, когда транзисторные и тиристорные схемы не могут заменить реле.
Разработанная мной схема защиты проста и надёжна. Работает она следующим образом:
В качестве элемента, на котором измеряется ток, используется резистор R2 на 0,1 Ом. При токе нагрузки, равном 6 ампер, на нём падает напряжение равное ровно 0,6 вольта (по закону Ома). Если шлиц резистора R4 находится в крайнем правом положении, то это напряжение в 0,6 вольта прикладывается к переходу эмиттер-база транзистора VT1. Транзистор открывается. Ток, протекающий через открытый транзистор VT1, открывает транзистор VT2, а тот в свою очередь откроет транзистор VT3. Открытый транзистор VT3 закорачивает вывод 1 микросхемы (управления выходным напряжением) на корпус и выходное напряжение стабилизатора падает до нуля. Транзисторы VT1 и VT2 совместно представляют собой схему тиристорного управления, они «самоблокируются» в открытом состоянии двумя токами, протекающими по пути: 1) плюс выпрямителя – эмиттер VT1 – база VT1 – коллектор VT2 – эмиттер VT2 – элементы R7, VD3, R8, R9, транзистор VT3 – минус выпрямителя; 2) плюс выпрямителя – эмиттер VT1 – коллектор VT1 – база VT2 – эмиттер VT2 – элементы R7, VD3, R8, R9, транзистор VT3 – минус выпрямителя. Одновременно загорается светодиод VD3 «Перегрузка». Для отключения защиты, необходимо кратковременно нажать кнопку S2, которая разорвёт цепь протекания первого тока и транзисторы закроются. Если причина срабатывания защиты не устранена (например замыкание выходных клемм), то нажатие кнопки не сбросит защиту. Для уменьшения чувствительности схемы защиты по току, необходимо двигать ползунок резистора R4 из крайнего правого положения влево. Настройка производится экспериментально, путём кратковременного создания соответствующей нагрузки. Я сделал просто: в качестве нагрузки использовал внешний 10-ти амперный Амперметр, подключив его напрямую к выходным клеммам. Повышая выходное напряжение резистором R10 от нуля, я добился срабатывания схемы защиты на выбранном мной уровне (9,5А). Дополнительная защита по первичной обмотке – предохранитель FU1.
Важно
Особое внимание следует уделить выбору трансформатора. Он должен быть достаточной мощности. Я использую всё тот же ТПП-320-220-50, который я использовал и в зарядном устройстве , подобрав выходное напряжение на выходе выпрямителя VD1, равным 30 вольтам, путём выбора определённых обмоток. Не смотря на использование мощных транзисторов, при эксплуатации блока питания необходимо помнить, что нагрузочные способности любых блоков питания ограничены суммарной рассеиваемой мощностью выходных транзисторов. В данном случае, это — 250 ватт (по справочнику). Силовые транзисторы будут сильно греться и могут выйти из строя от падения на их переходах отдаваемого трансформатором напряжения. Так, при выходном напряжении 2,5 В и токе нагрузки 9 А, рассеиваемая на транзисторах мощность будет равна (30 – 2,5) * 9 = 247,5 Ватт. Эта работа «на пределе» приведёт к быстрому выходу транзисторов из строя от перегрева. Поэтому транзисторы необходимо установить на радиаторы достаточного размера. Я использовал в качестве радиаторов алюминиевый корпус своего блока, установив транзисторы через слюдяные прокладки.
В качестве выпрямителя VD1, как и в зарядном устройстве , я использовал силовой выпрямительный мост типа КЦ419 (импортный аналог – МВ5010), как результат – не нужна изоляция, компактность и запас по току до 25 ампер (МВ5010 – до 16А). Он также прикручивается непосредственно на корпус.
При сборке конструкции обязательно учтите тот факт, что ушко крепления микросхемы соединено с входным выводом микросхемного стабилизатора. Поскольку её выходные токи не превышают 0,2 А, то можете её даже не прикручивать на радиатор, но лучший вариант, если вы прикрутите её через диэлектрическую прокладку на радиатор, на котором стоят выходные транзисторы. Таким образом, Вы сможете использовать тепловую защиту, встроенную в микросхему. Если установить транзисторы и микросхему на отдельный изолированный теплоотвод, то никаких изолирующих прокладок не потребуется.
Для контроля тока использован миллиамперметр, резистор R3 подбирают таким, чтобы при подаче напряжения в 1 вольт, было отклонение стрелки прибора на максимум шкалы (на значение = 10). Вольтметр использован заводской, на 25 вольт, без дополнительных добавочных резисторов.
Большинство радиоэлементов блока питания размещено на радиоплате(печатной плате) размерами 130 х 75 мм, изготовленной из одностороннего фольгированного текстолита. Размещение элементов приводится на рисунке ниже. Микросхема D1 установлена со стороны печатных проводников, под её ушко просверлено большое отверстие в плате (чтобы можно было прикрутить микросхему к металлическому корпусу винтом).
Правильно собранная конструкция начинает работать сразу. Настройке подлежит только установка уровня срабатывания защиты по току нагрузки. Если не установите, то блок всё равно будет выдавать требуемое Вам напряжение, но без защиты. В крайнем случае – самое правое положение ползунка резистора R4 соответствует защите при токе около 6 Ампер. Обратите внимание, что при включении блока с выставленным на выходе выходным напряжением отличным от нуля, сразу срабатывает защита. Это нормальная работа, связана с тем, что на выходе блока питания стоит конденсатор С5 достаточно большой ёмкости. Для работы блока необходимо нажать кнопку сброса аварии. Впрочем, можете уменьшить номинал конденсатора на целый порядок, но это увеличит чувствительность схемы защиты к резким импульсным изменениям нагрузки, и на больших токах увеличит коэффициент пульсаций.