Высококачественный источник питания для любительской лаборатории

Максим Соловьев, Радиолоцман №3-4/2024, ст.120

Этот лабораторный источник питания создавался в первую очередь для испытаний аналоговых схем, чувствительных к пульсаци­ям питающего напряжения. Ставилась задача создать в любительских условиях прибор, не уступающий по своим характеристикам и функционалу промышленным образцам.

В своей основе лабораторный источник питания (далее ИП) представляет собой два независимых линейных стабилизатора напряжения (далее ЛСН) с последователь­ным включением регулирующего элемента между выпрямителем и нагрузкой. Такой тип линейных стабилизаторов характеризуется низким уровнем пульсаций и шумов, высоким коэффициентом стабилизации, быстрой реакцией на изменения входного напряжения и сопротивления нагрузки, относитель­ной простотой реализации

Лабораторный источник питания может работать в режиме стабилизации напряже­ния и в режиме стабилизации тока. Дополни­тельно предусмотрен параллельный режим работы двух каналов ИП, при котором ток нагрузки распределяется в равной степени между каналами. Имеется быстродействую­щая защита от коротких замыканий на выхо­де. Для отвода тепла применена активная система воздушного охлаждения с автомати­ческой регулировкой оборотов вентилятора.

Лабораторный источник питания обладает следующими характеристиками:

• Напряжение питания — 230 В±10%, 50 Гц;
• Максимальная потребляемая мощность — не менее 200 Вт;
• Диапазон регулировки выходного напряже­ния — 0…30 В;
• Диапазон регулировки выходного тока — 0.3 А;
• Количество каналов питания — 2;
• Амплитудное значение напряжения пульса­ций — не более 3 мВ.

При создании конструкции за основу были взяты схемотехнические решения фирмы Agilent Technologies, которые довольно под­робно описаны в книге [1]. Рассмотрим упро­щенную схему ЛСН одного канала, показан­ную на Рисунке 1.

Канал регулирования напряжения постро­ен на ОУ DA1, который совместно с резисто­рами RP1, R2 и транзистором VT1 представ­ляет собой усилитель, на вход которого пода­ется опорное напряжение. Схема на Рисун­ке 2 иллюстрирует трансформацию схемы на Рисунке 1. На ней показан принцип работы канала регулирования напряжения.

Величина выходного напряжения U_OUT определяется по формуле:

Канал регулировки тока построен на ОУ DA2. На инвертирующий вход ОУ DA2 пода­ется сигнал от датчика тока, роль которого выполняет резистор R1. На неинвертирую­щий вход подается опорное напряжение. Величина опорного напряжения регулирует­ся при помощи делителя на резисторах RP2 и R3, что позволяет задавать порог ограниче­ния по току. При появлении разницы напря­жений на входах ОУ на выходе ОУ формиру­ется сигнал ошибки, который управляет регу­лирующим элементом в виде транзистора VT1. В свою очередь регулирующий элемент меняет свою проводимость так, чтобы ском­пенсировать сигнал ошибки и обеспечить поддержание тока на выходе ИП постоянным за счет изменения напряжения на нагрузке.

На Рисунках 3 и 4 показана принципиаль­ная схема одного канала лабораторного источника питания.

На вторичной обмотке сетевого трансфор­матора Т1 формируется основное напряже­ние питания, которое подается на вход ЛСН через выпрямительный мост VD4, резистор R8, и сглаживающий конденсатор C13. Вто­ричная обмотка имеет отвод, который комму­тируется реле K1. Резистор R8 снижает брос­ки тока через конденсатор C13 в момент вклю­чения ИП и при коммутации выводов вторич­ной обмотки. Конденсаторы C3, C4, C9, C10 способствуют уменьшению импульсных помех, возникающих при переходных процес­сах в диодах во время работы выпрямителя. Если напряжение на выходе ИП меньше 15 В, то реле K1 выключено, и на вход ЛСН подает­ ся напряжение величиной около 25 В. Если напряжение на выходе ИП больше 15 В, то реле K1 включается, и на вход ЛСН подается напряжение величиной порядка 40 В. Рабо­той реле K1 управляет компаратор, постро­енный на микросхеме DA3. Такая схема ком­мутации позволяет снизить падение напря­жение на регулирующем элементе ЛСН и рассеиваемую на нем мощность.

Переменное напряжение с третичной обмотки сетевого трансформатора Т1 посту­пает на выпрямительный мост VD2 и на интегральные стабилизаторы напряжения DA1 и DA2, формирующие двуполярное напряжение питания каналов регулировки тока и напряжения, источника опорного напряжения, и компараторов. Питание узлов управления ЛСН от отдельной обмотки трансформатора позволяет сохранять спо­собность источника питания контролировать напряжение и ток при любом характере нагрузки и выдерживать режим короткого замыкания в течении длительного времени.

На сдвоенном ОУ DA5 построены каналы регулировки тока и напряжения. Диоды VD15, VD17, VD18, VD19 защищают входы ОУ от превышения дифференциального напряжения. Компоненты C27, C28, C33, R39, C34, C35, C36 обеспечивают устойчи­вость каналов регулирования при любых режимах работы. Переменным резистором R42 регулируется напряжение на выходе ИП. Переменным резистором R43 задается огра­ничение по току. Подстроечные резисторы R37 и R40 служат для настройки диапазонов регулировки напряжения и тока. Источник опорного напряжения выполнен на микросхе­ме TL431 (VD16).

На транзисторе VT6 выполнен быстроде­йствующий узел защиты от перегрузки по току. Он предохраняет регулирующий эле­мент ЛСН, построенный на транзисторах VT3-VT5, от выхода из строя в случае неис­правности канала регулировки тока и при высокой скорости изменения тока нагрузки. Порог срабатывания этого узла защиты выбран немного большим максимального тока, который можно установить при помощи R43, и составляет порядка 4.5 А. Диоды VD10, VD13, VD14 исключают взаимовлия­ние каналов управления и защиты друг на друга. На резисторах R16, R22, R30 и стаби­литроне VD7 выполнен узел согласования выходов ОУ DA5 с входом регулирующего элемента. Стабилитрон VD7 уменьшает паде­ние напряжения на резисторе R16 и обеспе­чивает небольшой сдвиг выходных уровней ОУ DA5 для компенсации падений напряже­ния на диодах VD13 и VD14. Диоды VD8 и VD20 защищают компоненты ИП от обратно­го напряжения, которое может возникнуть при индуктивном характере нагрузки.

На микросхеме DA4 построены два компа­ратора, которые управляют светодиодами индикации режимов работы ИП. Светодиод VD11 включается, когда ИП находится в режи­ме стабилизации напряжения. В свою оче­редь, VD12 включается, когда ИП находится в режиме стабилизации тока.

Схема регулятора оборотов вентилятора

Схема регулятора оборотов вентилятора показана на Рисунке 5. Транзисторы VT1 и VT2 являются датчиками температуры, кото­рые устанавливаются на радиаторы каждого из каналов ИП. Напряжение UБЭ транзисто­ров VT1 и VT2 зависит от температуры и с ее ростом уменьшается на 2.1 мВ/°С. Это ведет к тому, что при фиксированном значении UБЭ ток через коллекторы этих транзисторов будет значительно возрастать, увеличивая падение напряжение на резисторе R6. Вследствие этого увеличится напряжение UGS транзисто­ра VT3, что приводит к его открытию и росту тока через вентилятор. Делитель напряжения R1 — R3 задает фиксированное значение напряжения UБЭ транзисторов VT1 и VT2.

Подстроечным резистором R1 можно менять это значение, изменяя, соответствен­но, температуру, при которой вентилятор начнет вращаться. При помощи резистора R4 и конденсатора C2 в схему введена неболь­шая ОС, снижающая ее чувствительность к помехам и повышающая устойчивость. Пара­метрический стабилизатор напряжения на стабилитроне VD1 и резисторе R7 исключает зависимость напряжения иБЭ транзисторов VT1 и VT2 от колебаний напряжения питания.

Параллельный режим работы

Параллельный режим работы обеспечи­вает равное распределение токов между

каналами ИП при любой нагрузке и позволя­ет управлять двумя каналами ИП, используя только элементы настройки одного из кана­лов, именуемого «Master». Упрощенная схе­ма, демонстрирующая реализацию парал­лельного режима работы, показана на Рисунке 6.

Канал «Master» функционирует без изме­нений, и может работать как в режиме стаби­лизации тока, так и в режиме стабилизации напряжения. При нажатии на кнопку SA1 выходы каналов ИП соединяются парал­лельно. Канал «Slave» использует свою схему регулирования для нивелирования разницы между падениями напряжений на токоизмерительных резисторах обоих кана­лов, что приводит к полному равенству токов, протекающих через них. Соответственно, между каналами «Master» и «Slave» ток нагрузки всегда будет распределяться в рав­ной степени. Для корректной работы каналов ИП в параллельном режиме требуется создать небольшой начальный ток нагрузки. С этой целью в схему добавлены резисторы R2 и R3.

Особенности конструкции

В авторском варианте конструкции лабо­раторный источник питания выполнен в кор­пусе от бесперебойного источника питания фирмы APC. Схема ИП, которая приведена на Рисунках 4 и 5, выполнена на двух печат­ных платах. На одной расположено реле K1 коммутации обмоток, компаратор на DA3, и стабилизаторы напряжения на микросхемах DA1 и DA2, на другой — элементы ЛСН. Мик­росхемы DA1 и DA2 устанавливаются на радиаторы площадью 30 см². Платы общие для двух каналов. В качестве силовых транс­форматоров использовались трансформато­ры ТПП245-220-50 (2 шт.) и трансформатор от усилителя «Корвет 100У-068С».

Транзисторы VT3 и VT5 (Рисунок 4) необ­ходимо установить на радиатор площадью 1500 см², обязательно с применением теп­лопроводящей пасты КПТ-8 без использова­ния изолирующих прокладок. Транзистор VT4 (TTC004B) имеет изолированный корпус и устанавливается на один радиатор с тран­зисторами VT3 и VT5. Его можно заменить на КТ815Г, или BD139, однако в этом случае необходимо использовать изолирующую прокладку при его установке на радиатор. Резисторы R8, R25, R26 (Рисунки 3 и 4) — С5-16М, конденсатор C31 — танталовый, остальные электролитические конденсаторы

• оксидные. Конденсаторы C1 и C2 — пленоч­ные класса X2, рассчитанные на переменное напряжение не менее 300 В. Конденсаторы C3, C4, C9, C10, C22, C35 — пленочные, на напряжение 100 В, остальные конденсаторы
• керамические X7R, NP0, на напряжение не менее 50 В. Резисторы R1, R3, R4, R11, R17, R44 — МЛТ-2, остальные резисторы мощнос­тью 0.25 Вт — SMD типоразмера 1206. Диод­ный мост VD4 каждого из каналов ИП должен быть установлен на радиатор площадью не менее 200 см². В авторской конструкции для этой цели служил сам корпус ИП. Конденса­торы C16, C18, C23, C26, C29, C30 должны располагаться как можно ближе к выводам 4 и 8 микросхем DA3, DA4, DA5.

Радиаторы обоих каналов ИП, на которых установлены транзисторы VT3 — VT5, дол­жны обдуваться вентилятором. Рекоменду­ется использовать вентилятор Jamicon JF0925B1H-R, или аналогичный. Транзистор VT1 регулятора оборотов вентилятора (Рису­нок 5) крепится на радиатор канала «Master» ИП, а VT2 — канала «Slave». В этой схеме при­менены транзисторы 2SB1548, так как они имеют изолированный корпус, удобный для крепления на радиаторе. Их можно заменить другими аналогичными транзисторами, а также рядом транзисторов более низкой мощ­ности, однако при этом нужно позаботиться о том, чтобы выводы этих транзисторов не имели электрического контакта с радиатора­ми. При замене транзисторов VT1 и VT2 дру­гими типами может понадобиться подбор резистора R2. Транзистор VT3 необходимо установить на радиатор площадью 30 см².

Индикация выходного напряжения и тока, а также управление каналами ИП при парал­лельном режиме работы были реализованы с помощью готовых модулей индикации и релейных модулей, приобретенных на AliExpress. Реле K4 (Рисунок 6) должно быть рассчитано на коммутацию постоянного тока величиной не менее 5 А. Модули индикации выходного напряжения и тока подключаются непосредственно на выходе каждого канала ИП в соответствии со штатной схемой вклю­чения. Для их питания желательно использо­вать отдельные обмотки силовых трансфор­маторов, подключенные к выпрямителям, и стабилизаторы напряжения на L7815.

Настройка ИП

Настройка ИП заключается в установке пределов регулировки тока и напряжения подстроечными резисторами R37 и R40 (Ри­сунок 4), и настройке температуры включе­ния вентилятора охлаждения с помощью под­строечного резистора R1 (Рисунок 5). Далее необходимо проверить работу ИП в режимах стабилизации тока и напряжения под нагруз­кой, убедившись при помощи осциллографа в отсутствии пульсаций на выходе. рл

Литература

1. DC Power Supply Handbook (Agilent AN90B)

---