Мощный лабораторный источник питания 0-25В, 7А
Для настройки, ремонта автоэлектронных и радиотехнических устройств или зарядки аккумуляторных батарей необходимо иметь хороший источник питания.
Использование современной схемотехники и элементной базы позволяют сделать в домашних условиях источник питания, по основным техническим характеристикам не уступающий лучшим промышленным образцам.
Основные требования, которым должен удовлетворять такой источник питания:
- регулировка напряжения в диапазоне 0 - 25 В;
- способность обеспечить ток в нагрузке до 7 А при минимальных пульсациях;
- регулировка срабатывания токовой защиты. Кроме того, срабатывание защиты по току должно быть достаточно быстрым, чтобы исключить повреждение самого источника в случае короткого замыкания на выходе.
Возможность плавно регулировать в источнике питания ограничения тока позволяет при настройке внешних устройств исключить их повреждение.
Всем этим требованиям удовлетворяет предлагаемая схема универсального источника питания. Кроме того, данный блок питания позволяет использовать его в качестве источника стабильного тока.
Основные технические характеристики источника питания:
- плавная регулировка напряжения в диапазоне от 0 до 25 В;
- напряжение пульсаций, не более 1 мВ;
- плавная регулировка тока ограничения (защиты) от 0 до 7 А;
- коэффициент нестабильности по напряжению не хуже 0,001 %/В;
- коэффициент нестабильности по току не хуже 0,01 %/В;
- КПД источника не хуже 0,6.
Принципиальная схема
Электрическая схема источника питания, состоит из схемы управления, трансформатора (Т1), выпрямителя (VD4 ч- VD7), силовых регулирующих транзисторов VT3, VT4 и блока коммутации обмоток трансформатора.
Схема управления собрана на двух универсальных операционных усилителях (ОУ), расположенных в одном корпусе, и питается от отдельного трансформатора Т2. Это обеспечивает регулировку выходного напряжения от нуля, а также более стабильную работу всего устройства.
Для облегчения теплового режима работы силовых регулирующих транзисторов применен трансформатор с секционной вторичной обмоткой. Отводы автоматически переключаются в зависимости от уровня выходного напряжения при помощи реле К1, К2. Что позволяет, несмотря на большой ток в нагрузке, применить теплоотвод для VT3 и VT4 сравнительно небольших размеров, а также повысить КПД стабилизатора.
Блок коммутации предназначен для того, чтобы при помощи всего двух реле обеспечить переключение четырех отводов трансформатора, выполняет их включение в следующей последовательности: при превышении выходного напряжения уровня 6,2 В - включается К2; при превышения уровня 15,3 В включается К1(в этом случае с обмоток трансформатора поступает максимальное напряжение). Указанные пороги задаются используемыми стабилитронами (VD10, VD12). Отключение реле при снижении напряжения выполняется в обратной последовательности, но с гистерезисом примерно 0,3 В, т. е. когда напряжение снизится на это значение ниже чем при включении, что исключает дребезг при переключении обмоток.
Схема управления состоит из стабилизатора напряжения и стабилизатора тока. При необходимости устройство может работать в любом из этих режимов. Режим зависит от сопротивления регуляторов "I" (R21,R22).
Стабилизатор напряжения собран на элементах DA3, VT5, VT6.
Рис. 1. Принципиальная схема лабораторного источника питания с регулировкой тока ограничения.
Работает схема стабилизатора следующим образом. Нужное выходное напряжение устанавливается резисторами "грубо" (R9) и "точно" (R10). В режиме стабилизации напряжения сигнал обратной связи по напряжению (-Uoc) с выхода (Х2) через делитель из резисторов R9, RIO, R11 поступает на неинвертирующий вход 2 операционного усилителя DA3.
На этот же вход через резисторы R3, R5, R7 подается опорное напряжение +9 вольт. В момент включения схемы на выходе 12 DA3.1 будет увеличиваться положительное напряжение (оно через транзистор VT5 приходит на управление VT4) до тех пор, пока напряжение на выходных клеммах XI и Х2 не достигнет установленного резисторами R9, R10 уровня. За счет отрицательной обратной связи по напряжению, поступающей с выхода Х2 на вход 2 усилителя DA3.1, выполняется стабилизация выходного напряжения источника питания.
При этом выходное напряжение будет определяться соотношением:
где Uoп = + 9 В.
Соответственно изменяя сопротивление резисторов R9 "грубо" и R10 "точно", можно менять выходное напряжение (Uвых) от 0 до 25 В.
Когда к выходу источника питания подключена нагрузка, в его выходной цепи начинает протекать ток, создающий положительное падение напряжения на резисторе R23 (относительно общего провода схемы). Это напряжение поступает через резистор R21, R22 в точку соединения R8, R12. Со стабилитрона VD9 через R6, R8 подается опорное отрицательное напряжение - 9 вольт.
Операционный усилитель DA3.2 усиливает разность между ними. Пока разность отрицательная (т. е. выходной ток меньше установленной резисторами R23, R24 величины), на выходе 10 DA3.2 действует + 15 В. Транзистор VT6 будет закрыт и эта часть схемы не оказывает влияния на работу стабилизатора напряжения.
При увеличении тока нагрузки до величины, при которой на входе 7 DA3.2 появится положительное напряжение, на выходе 10 DA3.2 будет отрицательное напряжение и транзистор VT6 приоткроется. В цепи R16, R17, HL1 будет протекать ток, который уменьшит открывающее напряжение на базе регулирующего силового транзистора VT4.
Свечение красного светодиода (HL1) сигнализирует о переходе схемы в режим ограничения тока. В этом случае выходное напряжение источника питания снизится до такой величины, при которой выходной ток будет иметь значение, достаточное для того, чтобы напряжение обратной связи по току (Uoc), снимаемое с резистора R10, и опорное в точке соединения R8, R12, R22 взаимно компенсировались, т. е. появился нулевой потенциал. В результате выходной ток источника окажется ограниченным на уровне, задаваемым положением движка резисторов R21, R22. При этом ток в выходной цепи будет определяться соотношением:
где Uoп = - 9 В.
Диоды (VD11) на входах операционных усилителей обеспечивают защиту микросхемы от повреждения в случае включения её без обратной связи или при повреждении силового транзистора. В рабочем режиме напряжение на входах ОУ близко к нулю и диоды не оказывают влияния на работу устройства.
Конденсатор С8 ограничивает полосу усиливаемых частот ОУ, что предотвращает самовозбуждение и повышает устойчивость работы схемы.
Настройка
При безошибочном монтаже в схеме узла управления потребуется настроить только максимум диапазона регулировки выходного напряжения 0 : 25 В резисторомR7 и максимальный ток защиты 7 А - резистором R8.
Блок коммутации в настройке не нуждается. Необходимо только проверить пороги переключения реле К1, К2 и соответствующее увеличение напряжения на конденсаторе С3.
При работе схемы в режиме стабилизации напряжения светится зеленый светодиод (HL2), а при переходе в режим стабилизации тока - красный (HL1).
Детали
Подстроечные резисторы R7 и R8 - типа СПЗ-19а; переменные резисторы R9, R10, R21, R22 - типа СПЗ-4а или ППБ-1 А; постоянные резисторы R23 - типа С5-16МВ на 5 Вт, остальные из серии МЛТ или С2-23 соответствующей мощности.
Конденсаторы С6, С7, С8, СЮ типа КІО-17, электролитические С1 - С5, С9 типа К50-35 (К50-32).
Микросхема DA1 может быть заменена импортным аналогом 78L15; DA2 - на 79L15; DA3 на рА747 или двумя микросхемами 140УД7.
Светодиоды HL1, HL2 подойдут любые с разным цветом свечения.
Силовые транзисторы устанавливаются на радиатор площадью около 1000 см^2.
Два силовых транзистора устанавливается параллельно для обеспечения надёжной работы устройства в случае короткого замыкания на выходных клеммах.
В наихудшем случае силовые транзисторы кратковременно должны выдерживать перегрузку по мощности Р = Ubx*I = 25x7= 175 Вт. А один транзистор КТ827А может рассеивать мощность не более 125 Вт.
Диоды VD4 - VD7 надо установить на небольшой радиатор.
Реле К1, К2 применены типоразмера R-15 (польского производства) с обмоткой на рабочее напряжение 24 В (сопротивление обмотки 430 Ом) - они за счет бескорпусного исполнения имеют малые габариты и достаточно мощные переключающие контакты. Можно использовать и отечественные реле типа РЭН29 (0001), РЭН32 (0201).
Переключающие напряжение с трансформатора Т1 реле К1 и К2 инерционны и не обеспечивают мгновенное снижение напряжения, приходящего со вторичной обмотки Т1, но они уменьшат тепловую рассеиваемую мощность на силовых транзисторах при длительной работе источника.
Микроамперметр РА1 малогабаритный типа М42303 или аналогичный с внутренним шунтом на ток до 10 А. Для удобства эксплуатации источника питания схему можно дополнить вольтметром, показывающим выходное напряжение.
В качестве сетевого трансформатора Т1 используется промышленный трансформатор типа ТППЗ19-127/220-50. Т2 - типа ТПП259-127/220-50.
Трансформатор можно изготовить и самостоятельно на основе промышленного трансформатора мощностью 200 Вт, намотав все обмотки (Т1 и Т2) на одном трансформаторе.
Источник: Ходасевич А. Г, Ходасевич Т. И., Зарядные и пуско-зарядные устройства, Выпуск 2.