Лабораторный блок питания с комплексной защитой

 

 

Каждый радиолюбитель, занимающийся разработкой и ремонтом радиоаппаратуры, хотел бы иметь в своей лаборатории универсальный блок питания ( БП), что называется, на все случаи жизни. Такой БП должен иметь стабильное и регулируемое в широких пределах выходное напряжение, большой выходной ток, низкий уровень пульсаций, надежную защиту (от перегрузки по току, превышения выходного напряжения и перегрева), гарантирующую сохранность как питаемой аппаратуры, так и самого БП. БП должен быть простым и не должен содержать дефицитных, дорогостоящих и крупногабаритных компонентов.

Попытки найти описание готового устройства, удовлетворяющего вышеизложенным требованиям, не увенчались успехом, поэтому автору пришлось разработать БП самостоятельно.

 

Основное внимание при разработке предлагаемого лабораторного БП было уделено узлу защиты. Выбор между электронной и электромеханической защитами разрешился в пользу последней. Электронная защита, хотя и обладает более высоким быстродействием, но работоспособна (в классическом варианте) только при условии исправности как стабилизатора, так и самого узла защиты, другими словами � не вполне надежна. Несмотря на это, по мнению автора, для обеспечения максимальной надежности электронную и электромеханическую защиты следует применять в комплексе.

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

Чтобы уберечь от электрических повреждений радиоаппаратуру в широком диапазоне тока нагрузки БП, 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 22.5 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 �  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  проводом большого диаметра 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 складывались. Тогда, изменяя малый ток в основной обмотке ,  можно регулировать ток  срабатывания  реле по дополнительной обмотке, а значит и уровень срабатывания токовой защиты БП.

В узлах защиты от превышения напряжения на выходе БП с фиксированным выходным напряжением обычно применяют мощный стабилитрон или тринистор, которые при повышении выходного напряжении открываются и замыкают выход БП., в результате чего сгорает предохранитель, установленный в силовой цепи. Схемы узла защиты от превышения установленного напряжения в БП с регулируемым выходным напряжением автору найти не удалось.

В предлагаемом узле защиты от превышения напряжения   в БП введен дополнительный маломощный стабилизатор с таким же законом регулирования выходного напряжения, как и у основного стабилизатора (регулируются сдвоенным переменным резистором). Выходное напряжение дополнительного стабилизатора должно быть несколько больше, чем основного . Оба напряжения подаются на простейший узел сравнения. Превышение напряжения на выходе основного стабилизатора над напряжением на выходе  дополнительного стабилизатора приводит к срабатыванию защиты.

Узел тепловой защиты выполнен на биметаллических термовыключателях.

Основные технические характеристики БП

Интервалы регулирования выходного напряжения, В . . 1,2...15; 1,2...30

Максимальный ток нагрузки, А, (в интервале 1,2...30 В гарантируется при напряжении 15...30 В) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .                                   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 регулировки срабатывания защиты по току, 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. Со 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. При этом происходит переключение схемы выпрямителя с двухполупериодной со средним выводом 

обмотки на мостовую.  Конденсаторы С1�С4 уменьшают мультипликативную помеху. Выпрямленное напряжение, сглаженное конденсаторами С6�С9, поступает на входы основного и дополнительного стабилизаторов, которые собраны на микросхемах, соответственно, 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, VD9 и VD10 � защитные. Выходные напряжения 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 на выходе БП измеряют вольтметром PA2, а выходной ток � амперметром PA1.

Для повышения стабильности работы узел защиты  питается 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 тока срабатывания защиты, реле К1 сработает и контактами К1.1 включит реле К2 и самоблокируется через диод VD7. 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 HA1 с встроенным генератором). Звуковую сигнализацию можно отключить выключателем SA3. После устранения причины срабатывания защиты возвращают БП в исходное состояние, нажимая на кнопку SB1 �Сброс�. Диоды VD6 и VD8 ограничивают напряжение самоиндукции обмоток реле К1 и К2.

В узле сравнения напряжений основного и дополнительного стабилизаторов применена тиристорная оптопара U1. Напряжения стабилизаторов подаются на излучающий диод оптопары, который в исходном состоянии закрыт. Если напряжение на выходе основного стабилизатора по каким-либо причинам (пробой регулирующего транзистора  или стабилизатора) увеличится, тиристор оптопары откроется, что приведет к срабатыванию защиты, как описано выше. Диоды VD3�VD5 защищают излучающий диод оптопары от перегрузки, а резистор R8 ограничивает ток.

Тепловая защита выполнена на термовыключателях SF1 и SF2. Выключатель SF1 срабатывает, если температура радиатора достигла 50 �С, и включает электродвигатель вентилятора M1. Если же температура радиатора продолжает увеличиваться, при 60 �С сработает выключатель SF2, что приведет к срабатыванию защиты. Электродвигатель вентилятора M1 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, имеющей вторичную обмотку с выходным напряжением 30 В со средним выводом, намотанную проводом диаметром 2 мм. В БП можно использовать любой трансформатор с удовлетворяющими радиолюбителя характеристиками.

Диодный мост VD1 (МB351)  заменим любым мостом серий MB или КВРС или мостом, собранным из отдельных диодов, обеспечивающим требуемый максимальный 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), с сопротивлением обмотки 1800 Ом и с фактическим напряжением срабатывания 10,5 В. 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, необходимо увеличить выходное напряжение стабилизатора DA2   до надежного срабатывания реле (с запасом в 1,5...2 В), включив между выводом 2  DA2 и общим проводом стабилитрон на соответствующее напряжение.  На корпус реле наматывают  дополнительную обмотку проводом ПЭТВ  (предварительно удалив вывод корпуса) и фиксируют ее  термоусадочной трубкой. При выборе диаметра провода следует ориентироваться на плотность тока 10 А/мм². В авторском варианте дополнительная обмотка содержит 16 витков провода диаметром 1,4 мм.  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 M1 � 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-п-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�VD7, VD10) заменимы любыми кремниевыми маломощными, а диоды КД258А (VD2, VD8, VD9) � любыми с максимальным током не менее 1 А.

Для измерения напряжения и тока использованы измерительные головки М4203 с током полного отклонения 1 мА , сопротивлением 500 Ом и шкалой с 30 делениями. Применение других измерительных головок потребует изменения 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 должно превышать выходное  напряжение выпрямителя при максимальном питающем сетевом напряжении.

Конденсаторы С5, С10�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 230�120�300 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 проверке правильности монтажа,  регулировке узла защиты и калибровке амперметра и вольтметра. Для этого потребуются: мультиметр (желательно цифровой), вспомогательный маломощный регулируемый БП с выходным напряжением  до 35 В, реостаты  достаточной мощности сопротивлением 10 и 100 Ом, амперметр  20 А.

Регулировку узла защиты рекомендуется производить  в следующей последовательности.

    1. Отрегулировать узел защиты от превышения выходного напряжения.

 1.1. Установить резистор R4 в положение максимального сопротивления.

  1.2. Подключить мультиметр плюсовым выводом к выходу стабилизатора DA1 (вывод 2), а минусовым � к выходу стабилизатора DA3 (вывод 2).

1.6.           Изменяя  выходное напряжение БП в пределах интервалов 1,2�15 В и

1.2�30 В с помощью резистора R3 добиться, чтобы напряжение, измеряемое мультиметром, было всегда положительным, минимальным и не превышало 1.5В.

Если этого добиться не удается, следует поменять подключение резисторов R2.1

и R2.2  местами или подобрать резистор R2 с меньшим рассогласованием.

 1.4. Подключить мультиметр к выходу БП и установить выходное напряжение равным 30 В.

  1.5. Отсоединить правый по схеме вывод резистора R8 от выхода БП и подать

на резистор R8 напряжение (несколько меньшее 30 В) от вспомогательного БП.

1.6.           Плавно увеличивая выходное напряжение вспомогательного БП, зафиксировать его в момент срабатывания  защиты по изменению цвета

    свечения светодиода. Выходное напряжение вспомогательного БП не должно превышать 32 В.

   1.7. Восстановить соединение резистора R8 с выходом БП.

   Исправность узла защиты от превышения выходного напряжения можно проверить и в процессе эксплуатации.  Если ручку  R2 резко повернуть в сторону уменьшения выходного напряжения БП, то вследствие большей инерционности цепи регулировки  основного стабилизатора DA3  (C12 больше С5) его выходное напряжение кратковременно превысит выходное напряжение дополнительного стабилизатора  DA1 и защита сработает.

2. Для регулировки узла защиты по току необходимо:

2.1. Разорвать цепь между резисторами R4 и R5  и между выводом  4  дополнительной обмотки реле К1 и контактами К2.1 реле К2.

    2.2. Подключить между выводом 4 дополнительной  обмотки реле К1 и общим           проводом последовательно соединенные реостат 10 Ом и амперметр.

    2.3. Уменьшая сопротивление реостата, определить ток срабатывания защиты по дополнительной обмотке реле К1, который должен находиться в пределах 16�18 А. Добиться этого можно изменением количества витков дополнительной обмотки 3 � 4 реле К1.

    2.4. Восстановить цепь между резисторами R4 и R5, заменить реостат 10 Ом на

реостат  100  Ом.

    2.5. Установить резистор R4  в положение минимального сопротивления, а R5  - в положение максимального сопротивления.

    2.6. Реостатом установить ток 0,5 А.

    2.7. Уменьшая сопротивление резистора  R5, установить его в положение, в котором происходит срабатывание защиты.

    2.8. Заменить реостат 100 Ом на реостат 10 Ом, установить резистор R4 в положение максимального сопротивления.

    2.9.Уменьшая сопротивление реостата, определить ток срабатывания защиты. Если он не будет равным  15 А, потребуется корректировка номинала резистора R4;

2.10. Задавая  несколько  значений тока, отградуировать шкалу  резистора  R4;

2.11. Отключить реостат и амперметр и восстановить цепь между выводом 4 реле К1 и контактами К2.1.

      Температуру срабатывания термовыключателей SF1,  SF2 можно проверить,

нагревая заднюю панель БП  в месте установки транзисторов  феном и контролируя ее температуру цифровым термометром.

        Градуировка амперметра и вольтметра производится по общепринятой методике , учитывая, что шкала амперметра  нелинейна .

В заключение  следует отметить, что узел  защиты или его элементы могут быть

введены  в любые БП.

 

Литература

1. Нечаев И. Малогабаритный мощный преобразователь напряжения. � Радио, 2003, № 2, с. 29, 30.

2. Щербина А., Благий С., Иванов В. Применение микросхемных стабилизаторов серий 142, К142 и КР142. � Радио, 1991, № 3, с. 47�51; № 5, с. 68�70.

3. Радио, №7, 2004 г.

 

Коломоец Е.В.      RA0SDS, ex RA0SDC    г. Иркутск

E-mail :   irradio@mail.ru

           Опубликовано с разрешения редакции журнала �Радио�.