Лабораторный блок питания с комплексной защитой

Лабораторный  блок питания с комплексной защитой  

Каждый  радиолюбитель, занимающийся разработкой  и ремонтом радиоаппаратуры, хотел  бы иметь в своей лаборатории  универсальный блок питания, что  называется, на все случаи жизни. Такой  источник должен иметь регулируемое в широких пределах выходное напряжение, большой ток, высокую стабильность напряжения, низкий уровень пульсаций, надежную защиту (от перегрузки по току, превышения напряжения и перегрева), гарантирующую сохранность как питаемой аппаратуры, так и самого источника. Блок питания должен быть простым и не содержать дефицитных, дорогостоящих и крупногабаритных компонентов. 
Попытки найти описание готового устройства, удовлетворяющего вышеизложенным требованиям, не увенчались успехом, поэтому автору пришлось разработать подобный блок самостоятельно. Что из этого получилось, судите сами.

Основное внимание при  разработке предлагаемого лабораторного  блока питания (БП) было уделено узлу защиты. По мнению автора, для обеспечения  максимальной надежности электронную  и электромеханическую защиты следует  применять в комплексе.

В описываемом БП реализованы  узлы защиты по току, от превышения напряжения на выходе, а также тепловая.

Чтобы уберечь от электрических  повреждений радиоаппаратуру в  широком интервале тока нагрузки, защита по току должна быть регулируемой. В процессе разработки возникли определенные трудности с реализацией датчика  тока. В классическом варианте —  это резистор, включенный в силовую  цепь, падение напряжения на котором  отслеживает узел управления защитой. Для реализации регулируемого датчика  тока потребовался бы переменный резистор весьма большой мощности сопротивлением от единиц до десятых и даже сотых  долей ома. Так, например, при сопротивлении  датчика тока 0,1 Ом и токе 15 А на нем рассеивается мощность более 20 Вт! Существует вариант с переключением резисторов, но в этом случае переключатель должен выдерживать максимальный ток нагрузки. Кроме того, сопротивление контактов переключателя нестабильно и соизмеримо с сопротивлением переключаемых резисторов, следовательно, порог срабатывания защиты будет нестабильным, а сам переключатель — очень громоздким. Конечно, можно использовать постоянный резистор весьма малого сопротивления и усиливать падение напряжения на нем регулируемым усилителем постоянного тока, но в этом варианте устройство существенно усложнится.

Решение появилось после  прочтения статьи [1] и заключается  в следующем: на корпус герконового реле РЭС-55 наматывают дополнительную обмотку, которую включают в силовую цепь БП до стабилизатора. Направление тока в основной и дополнительной обмотках реле выбирают так, чтобы создаваемые ими магнитные поля суммировались. Тогда, изменяя ток в основной обмотке, можно регулировать уровень срабатывания токовой защиты БП.

В узлах защиты от превышения напряжения на выходе обычно применяют  мощный стабилитрон или тринистор, которые при повышенном напряжении открываются и замыкают выход БП. В результате резкого увеличения тока срабатывает предохранитель, установленный в силовой цепи.

В предлагаемом узле защиты от превышения напряжения на выходе в  БП введен дополнительный маломощный стабилизатор с таким же законом  регулирования выходного напряжения, как и у основного стабилизатора. Выходное напряжение дополнительного  стабилизатора должно быть немного  больше, чем основного стабилизатора. Оба напряжения подают на простейший узел сравнения. Превышение напряжения на выходе основного стабилизатора  приводит к срабатыванию защиты.

Узел тепловой защиты собран на термовыключателях.

Основные технические  характеристики БП

Интервалы регулирования  выходного напряжения, В . .1,2... 15; 
1,2...30 
Максимальный ток нагрузки (в интервале 1,2...30 В гарантируется при напряжении 15...30 В), А.............15 
Коэффициент стабилизации по напряжению, не менее .....100 
Уровень пульсаций при выходном напряжении 12 В и токе нагрузки 10 А, мВ, не более.....................30 
Интервал регулирования тока срабатывания защиты, А ... .0,5...15 
Превышение выходного напряжения, при котором срабатывает защита, В, не более......................2 
Температура включения вентилятора охлаждения, °С........50 
Температура срабатывания тепловой защиты, °С...........60

Схема БП показана на рисунке. С вторичной обмотки сетевого трансформатора Т1 переменное напряжение поступает на выпрямительный мост VD1. Интервалы выходного напряжения переключают перемычкой S1: в левом по схеме положении — 1,5... 15 В; в правом — 1,2...30 В. Конденсаторы С1— С4 уменьшают мультипликативную помеху. Выпрямленное напряжение, сглаженное конденсаторами С6—С9, поступает на входы основного и дополнительного стабилизаторов, которые собраны на микросхемах DA3 и DA1, включенных по типовой схеме [2]. Для увеличения выходного тока основного стабилизатора применены регулирующие транзисторы VT1—VT4, в эмиттерных цепях которых установлены токовыравнивающие резисторы R9—R12. Диоды VD2, VD3, VD10 и VD11 — защитные. Выходное напряжение основного и дополнительного стабилизаторов регулируют сдвоенным переменным резистором R2. Резистором R3 устанавливают минимальное превышение напряжения дополнительного стабилизатора над напряжением основного, что необходимо для правильной работы узла защиты.

Напряжение н выходе БП измеряют вольтметром PV1, а выходной ток — амперметром РА1.

Для повышения стабильности работы узел защиты по току питают от стабилизатора DA2. Резистором R4 регулируют ток в  основной обмотке 1 —2 герконового реле К1, в результате чего изменяется ток срабатывания по дополнительной обмотке 3—4. Если выходной ток БП превысит установленное значение реле К1 сработает, контактами К1 1 включит реле К2 и самоблокируется через диод VD8. Реле К2 сработает и контактами К2.1 отключит основной стабилизатор от выпрямителя. При этом цвет свечения светодиода HL1 изменится с зеленого на красный и включится звуковая сигнализация (звуковой излучатель НА1 с встроенным генератором). Звуковую сигнализацию можно отключить выключателем SA3. После устранения причины срабатывания защиты по току БП возвращают в исходное состояние, нажимая на кнопку SB1 "Сброс". Диоды VD7 и VD9 ограничивают напряжение самоиндукции обмоток реле К1 и К2.

В узле сравнения напряжений основного и дополнительного  стабилизаторов применена тиристорная оптопара U1. Напряжения стабилизаторов подают на излучающий диод оптопары, который в исходном состоянии закрыт. Если напряжение на выходе основного стабилизатора по каким-либо причинам увеличится, тиристор оптопары откроется, что приведет к срабатыванию защиты, как описано выше. Диоды VD4—VD6 защищают излучающий диод оптопары от перегрузки, а резистор R8 ограничивает ток.

Тепловая защита выполнена  на термовыключателях SF1 и SF2. Выключатель SF1 срабатывает, если температура теплоотвода достигла 50 °С, и включает электродвигатель вентилятора М1. Если же температура теплоотвода продолжает увеличиваться, при 60 °С сработает выключатель SF2, что приведет к включению защиты. Электродвигатель вентилятора М1 можно принудительно включить выключателем SA2.

Основной элемент, определяющий электрические параметры и габариты БП, — сетевой трансформатор Т1. Автор применил готовый стержневой трансформатор с габаритной мощностью примерно 600 Вт, имеющий вторичную обмотку с выходным напряжением 30 В со средним выводом. В БП можно использовать любой трансформатор с необходимыми характеристиками.

Диодный мост МВ351 (VD1) заменим  любым выпрямителем серии MB или КВРС. В крайнем случае мост можно собрать из отдельных диодов, обеспечивающих необходимый ток нагрузки.

Переключатель интервалов выходного  напряжения S1 выполнен из трех приборных  клемм, соединяемых перемычкой.

Стабилизаторы КР142ЕН22А заменимы любыми из этой серии или импортными аналогами серий SD1083 DV1083, LT1083, SD1084, DV1084, LT1084, а стабилизатор КР142ЕН8Б —  импортным аналогом 7812.

Реле К1 — РЭС-55Б исполнения РС4.569.600-00 (паспорт РС4.569.626). Подойдут также реле исполнений РС4.569.600-05 (паспорт РС4.569.631), РС4.569.600-01 (паспорт РС4.569.627) и РС4.569.600-06 (паспорт РС4.569.632). Если реле не срабатывает при напряжении 12 В, напряжение стабилизатора DA2 необходимо увеличить до надежного срабатывания реле (с запасом в 1,5...2 В), включив между выводом 2 микросхемы и общим проводом один-два маломощных кремниевых диода Вывод корпуса реле удаляют. На корпус реле наматывают дополнительную обмотку проводом ПЭТВ (ПЭВ). При выборе диаметра провода следует ориентироваться на плотность тока 10 А/мм В авторском варианте дополнительная обмотка содержит 16 витков провода диаметром 1,4 мм. Обмотку фиксируют термоусадочной трубкой. Расчетное сопротивление обмотки составляет 0,006 Ом, падение напряжения при токе 15 А — 0,09 В, максимальная рассеиваемая мощность — 1,35 Вт. Реле К2 — автомобильное 90.3747-01, способное коммутировать ток до 30 А. Термовыключатели SF1 и SF2 — РБ5-2 с температурой срабатывания 60 °С, ранее широко применявшиеся в ЕС ЭВМ. Один выключатель отрегулирован на температуру срабатывания 50 °С. Термовыключатели можно заменить импортными В1009 на соответствующую температуру, но поскольку их контакты размыкающие, их необходимо включать через инверторы. Электродвигатель М1 — вентилятор, применяемый для охлаждения блоков питания компьютеров IBM.

Светодиод АЛС331А (HL1) допустимо  заменить импортным двуцветным или  любыми двумя одноцветными (соответственно красным и зеленым). Транзисторы  КТ818ГМ (VT1—VT4) заменимы мощными р-n-р транзисторами с максимальной рассеиваемой мощностью не менее 100 Вт, например, из серий КТ825, КТ865, КТ8102.

Резисторы R9—R12 — С5-16МВ мощностью 2 Вт. Их можно заменить самодельными, изготовленными из нихромовой проволоки диаметром 0,8... 1 мм. Можно обойтись и без этих резисторов, если подобрать транзисторы по равенству токов коллекторов при равных напряжениях база—эмиттер.

Из соображений надежности применены проволочные переменные резисторы ППЗ-45 (R2, R4) и подстроечные многооборотные резисторы СП5-ЗВ (R3, R5, R13, R17), однако их можно заменить любыми. Диоды КД522А (VD3—VD8, VD11) заменимы любыми кремниевыми маломощными, а диоды КД258А (VD2, VD9, VD10) — любыми с максимальным током не менее 1 А.

Для измерения напряжения и тока использованы измерительные  головки М4203 сопротивлением 500 Ом с  током полного отклонения 1 мА. Применение других измерительных головок потребует  пересчета сопротивления резисторов R13, R16, R17.

Конденсаторы С6—С9 —  К50-37, но допустимо применить любые  другие. Следует помнить, что их суммарная  емкость должна быть не менее 2000 мкФ  на каждый ампер тока нагрузки, а  номинальное напряжение превышать  выходное напряжение выпрямителя при  максимальном питающем сетевом напряжении.

Конденсаторы С5, СЮ—С12, С14 — танталовые К52-1, К52-2 и К53-1А. В  случае применения оксидных алюминиевых  конденсаторов их емкость следует  увеличить в несколько раз. Остальные  конденсаторы — любые керамические.

Выключатель SA1 — Т2 или другой, рассчитанный на ток не менее 3 А. Выключатели SA2, SA3 — МТ1, кнопка SB1 — КМ-1, но их можно заменить любыми другими.

Вместо тиристорной оптопары АОУ103А допустимо применить любую оптопару из серии АОУ115.

БП собран в прямоугольном  металлическом корпусе размерами 230x120x300 мм. В верхней, нижней и боковых  панелях корпуса просверлены  вентиляционные отверстия. На передней панели установлены измерительные  приборы, выходные клеммы, клеммы переключателя  интервалов выходного напряжения, сетевой  выключатель, выключатели электродвигателя вентилятора и звуковой сигнализации, регуляторы выходного напряжения R2 и тока срабатывания защиты R4 а также светодиод сигнализации срабатывания защиты.

Задняя панель выполнена  из алюминия толщиной 3 мм. На ней через  слюдяные прокладки, покрытые с двух сторон пастой КПТ-8, закреплены транзисторы VT1—VT4, микросхемы DA1—DA3, выпрямительный мост VD1 и термовыключатели. Вентилятор установлен на задней панели над транзисторами VT1—VT4 на стойках. В свободных местах под ним просверлены вентиляционные отверстия. На заднюю панель также вынесены предохранители FU1 и FU2.

Монтаж устройства в основном навесной, на выводах и изоляционных стойках. Монтаж силовых цепей выполнен многожильным проводом сечением 2,5 мм² минимальной длины. Конденсаторы С6—С9 привинчены винтами контактов к плате из фольгированного стеклотекстолита, которая прикреплена к боковой панели кронштейнами. На печатные проводники между выводами конденсаторов по всей длине напаян медный провод диаметром 1,4 мм. Трансформатор закреплен на нижней панели с помощью уголков.

Налаживание БП сводится к  регулировке узла защиты и калибровке амперметра и вольтметра. Для этого  потребуются вольтметр с пределом измерения 35 В, амперметр с пределом измерения 20 А, вспомогательный регулируемый источник питания с максимальным выходным напряжением 35 В и переменные нагрузочные резисторы (реостаты) сопротивлением 10 и 100 Ом или эквивалент нагрузки. Узел защиты регулируют в следующей последовательности.

1. Сначала регулируют  узел защиты от превышения  выходного напряжения.

1.1. Движок переменного  резистора R4 устанавливают в положение  максимального сопротивления. 
1.2 Подключают вольтметр плюсовым выводом к выходу стабилизатора DA1, а минусовым — к выходу стабилизатора DA3. 
1.3. Изменяя выходное напряжение БП в пределах интервалов 1 2... 15 и 1,2...30 В, с помощью резистора R3 добиваются, чтобы измеряемое напряжение было всегда положительным, а его значение минимальным и не превышающим 1,5 В. Если же это сделать не удалось, следует поменять местами резисторы R2.1 и R2.2 или подобрать резистор R2 с меньшим рассогласованием. 
1.4. Устанавливают на выходе БП напряжение 30 В 
1.5. Отключают правый по схеме вывод резистора R8 от выхода БП и подают на него напряжение (несколько меньшее 30 В) от вспомогательного источника. 
1.6. Плавно увеличивая напряжение вспомогательного источника, фиксируют момент срабатывания защиты по изменению цвета свечения светодиода. Выходное напряжение вспомогательного источника в этом случае не должно превышать 32 В. 
1.7. Восстанавливают соединение резистора R8 с выходом БП.

Исправность защиты от превышения напряжения можно проверить и  в процессе эксплуатации. Емкость  конденсатора С12 основного стабилизатора DA3 больше емкости аналогичного по назначению конденсатора С5 в дополнительном стабилизаторе DA1. Увеличенная емкость способствует уменьшению уровня пульсаций на выходе основного стабилизатора, но одновременно увеличивает инерционность регулировки  выходного напряжения БП. Если движок резистора R2 резко повернуть в  сторону уменьшения напряжения, то вследствие большей емкости выходное напряжение БП кратковременно превысит выходное напряжение стабилизатора DA1, что приведет к срабатыванию защиты.