Лабораторный блок питания «Belarus 3A30» с защитой и коммутацией обмоток (0-30 V, 3 А)

Здравствуйте друзья. Позвольте представить вашему вниманию мой первый лабораторный блок питания.
У каждого уважающего себя радиолюбителя должен быть регулируемый блок питания, для подключения различных устройств. Вот и я решил себе соорудить блок питания. На первое время думаю, что хватит однополярного.

Блок питания регулируемый, от 0 до 30V, максимальный ток 3А, уровень пульсаций 2 - 20мВ, имеет защиту от перегрузки в виде токоограничения.

↑ Как все начиналось

Все началось с трансформатора. Перебирая свои складские запасы, под руку попался трансформатор ТПП 248-220-50К. На вид, мощности должно хватить, подумал я и принял решение сделать блок питания. Покопавшись еще, нашел старенький грязный амперметр. Делать большие вложения в грядущий проект не хотелось, поэтому решил конструировать из деталей, которые есть в наличии. Измерительный прибор пришлось отреставрировать:

Для максимальной функциональности шкалу сделал двойную, на напряжение и ток. Не подумав о напряжениях трансформатора, решил, что мне для моих экспериментов хватит напряжения в 30 Вольт и тока в 3 ампера. Но это была поправимая ошибка, трансформатор я потом перемотал.
Корпус – жестянка от старенького компьютерного блока питания. В старых компьютерных блоках питания вентилятор был небольшой и располагался сзади возле сетевого разъема, вместо него как враз встал мой отреставрированный вольтметр.

Трансформатор на удивление тоже вписывался в предельно допустимые габариты, чуть-чуть выше, но при закрытии крышки ничего незаметно. Передняя панель оргстекло, под ним, тонкий гетинакс с наклеенной самоклеющейся бумагой, на которой распечатаны на лазерном принтере надписи органов управления.

Вольтметр, потенциометр, выходные зажимы и переключатель режима индикации, плотно прижали этот «бутерброд» к корпусу без дополнительных болтиков. Результат см. рисунок 1.
После того как собрал переднюю панель начал думать о принципиальной схеме.

↑ Блок питания изнутри

Блок питания состоит из пяти плат:
A1 – плата индикатора наличия 220V (рис. 6).
A2 – плата выпрямителей
A3 — плата защиты
A4 – плата стабилизатора напряжения.
A5 – плата индикации режима.

Плата А2 представляет собой блок питающих напряжений в блоке питания, на ней расположены: выпрямитель, реле коммутации обмоток трансформатора, стабилизаторы и датчик тока. Диодный мост D3-D6 построен на диодах Шоттки, чтобы сильно не грелся. В качестве датчика тока два резистора С5-16MВ 0,1 Ом, стабилизаторы напряжения LM7824, 7805, 7905.


На плате A4 (см. рисунок 9) установлены четыре параллельно соединенных LM317. LM-ки прикручены к алюминиевому основанию, которое далее через слюду к радиатору.


В сборе, конструкция выглядит следующим образом (см. рисунок 10)

↑ Схема электрическая принципиальная

При максимальном токе 3A через каждый чип протекает 0,75А. Общая рассеиваемая мощность делится на 4 корпуса и легче отдается радиатору за счет большей площади прикосновения. В моем случае разность температур через слюдяной изолятор составила 10 градусов. На мой взгляд, это очень даже не плохо.

↑ Защита нагрузки от перенапряжения

В классической схеме включения LM317 регулирующий резистор включается между входом ADJ и общим проводом. Обрыв резистора приводит к тому, что входное нестабилизированное напряжение попадает в нагрузку. В схеме регулировка выходного напряжения осуществляется посредствам потенциометра R29. C помощью транзистора T5 организована защита нагрузки от перенапряжения при обрыве ползунка потенциометра R29.

Рано или поздно обрыв происходит. При обрыве, транзистор T5 открывается через резистор R32 и на входе ADJ LM317 потенциал падает и как следствие на выходе стабилизатора тоже. Включение резистора R32 вносит небольшую нелинейность в регулировку напряжения с помощью R29. Поэтому его сопротивление должно быть как можно выше, но в связи с этим придется подобрать транзистор T5 с наиболее высоким коэффициентом усиления, иначе открытие транзистора может быть неполным.

Цепь регулировки выходного напряжения включена относительно отрицательного напряжения -5V. Это дает возможность регулировать выходное напряжение от 0V. Резистором R28 устанавливается минимальное выходное напряжение. Максимальное выходное напряжение можно подстроить резистором R9 на плате A2.

↑ Защита блока питания от перегрузки

На схеме электрической принципиальной две «земли» до датчика тока (шунта R8, R12) и после. За основную следует принимать землю справа, по схеме, от шунта, так как относительно нее подключены стабилизаторы напряжения DA2, DA3, и DA5-DA8 через отрицательное плечо -5V (DA2). Это позволяет не учитывать падение напряжения на шунте при стабилизации. То есть относительно стабилизатора DA5, шунт можно отнести к внутреннему сопротивлению источника напряжения.

Защита блока питания от перегрузки представляет собой токоограничение и организовано на компараторе OP2 (LM339) отличительной чертой которого является выход с открытым коллектором. На отрицательный вход подается опорное напряжение с делителя R19, R22 на положительный вход – напряжение с датчика тока на резисторах R8, R12.

Определяет величину токоограничения резистор R19, который можно также выносить на переднюю панель прибора (это может быть полезным), но я этого не сделал, так как сначала спроектировал корпус и только потом схему. При коротком замыкании, например, напряжение на положительном входе OP2 становится ниже чем на отрицательном и выходной транзистор компаратора OP2 начинает открываться, так же как и T5 начинает понижать потенциал на входе ADJ стабилизатора LM317.

За счет высокого коэффициента усиления компаратора токоограничение получается изумительное. За 10mА до планки ограничения стабилизация напряжения не нарушается. Например в проведенном мной эксперименте ток короткого замыкания 2,94А, при нагрузке 2,93А напряжение остается стабильным — при снятии нагрузки показания вольтметра не меняются.

↑ Коммутация обмоток трансформатора

Одним из недостатков линейных стабилизаторов является низкий КПД. Стабилизаторы греются и чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем больше нагрев и как следствие потеря мощности. Отчасти эту проблему можно решить путем снижения входного напряжения, когда это возможно. При выходном напряжении в 2 вольта нет смысла подавать на вход 30V.

Но не следует забывать про пульсации выпрямителя. При максимальном токе нижняя граница пульсации Umin должна быть приблизительно на 3 вольта выше (для LM317) чем желаемое выходное напряжение стабилизатора, иначе пульсации пройдут на выход стабилизатора. Контролировать это надо осциллографом, так как мультиметры показывают среднее значения пульсирующего напряжения, можно думать, что стабилизация по какой то причине не работает, а на самом деле на выходе будет небольшая пульсация.

На компараторах OP1, OP3, OP4 и реле K1, K2, K3 организована коммутация обмоток трансформатора. На положительные входы компараторов подается выходное напряжение блока питания через делители R20 и R21, R30 и R31, R38 и R39. На отрицательные входы опорные напряжения, которые определяют уровни срабатывания реле. Резисторы R15, R24, R34 вводят небольшой (0,1V) гистерезис в срабатывания компараторов, это обеспечивает четкое открытие транзисторов при одинаковых входных напряжениях компаратора.

Реле выбраны на 24V, контакты 16А, катушка реле потребляет 17mA. Поэтому для питания вполне достаточно однополупериодного выпрямителя на диоде D2 и конденсаторе С9. В качестве ключей реле решил взять низковольтные компьютерные мосфеты Q25SN03A -T1-T3, напряжение сток исток 30V. Обычно их можно снять с неисправной материнской платы в области питания процессора. За время разработки имел место быть пробой затвора, одного из ключей, после чего я установил стабилитроны D7, D8, D10 параллельно затворам транзисторов.

При отключении реле осциллограф зафиксировал всплеск на стоке под 40V, возможно через какие-то паразитные емкости пробило затвор. Но после установки стабилитронов полет нормальный. Кстати эти транзисторы, возможно, не самый лучший вариант для коммутации реле. При включении К2 нет смысла держать включенной реле К1, для этого транзистор T4 шунтирует затвор транзистора T3, реле К1 не включается, тем самым экономя драгоценных 17 мА.

Вообще для выходного напряжения 30V делать 3+1 входных напряжения вовсе не обязательно, я думаю хватило бы и два реле и три обмотки. Но три обмотки, при перемотке трансформатора намотать было проблематично, мотал проводом в 1,2 мм и в один слой ложилась одна обмотка в 7 Вольт, делать полтора слоя не решился, так как мог не вписаться в окно. Коммутация обмоток это дело личное, если радиатор позволяет, можно считать, что у блока питания есть дополнительная функция – обогрев квартиры, и КПД можно принять за 100%.: smile:

↑ Испытания

Первое что приходит в голову при проверке блока питания, это проверить качество выходного напряжения.
Для начала постоянная нагрузка — лампочки накаливания. Ток 2,9А Напряжение 9V.

Из осциллограммы на рисунке 12 видно, что низкочастотных пульсаций не наблюдается. Небольшой высокочастотный шум проникает извне, не исчезает даже при выключенном блоке питания, если включить рядом стоящий компьютер, то шумы резко возрастают и появляются выбросы работы импульсника, но они ничтожны. Возможно надо было поставить фильтр перед трансформатором.

В качестве динамической нагрузки решил использовать свой старенький ноутбук ASUS Z99H. Питание 19V Потребление тока скачет в пределах 1 — 2 А. Для сравнения на рисунке 13 показан холостой ход без нагрузки 19V.


На рисунке 14 пульсации при работе ноутбука. Пульсации небольшие с частотой работы внутреннего импульсного блока питания ноутбука 100Кгц.

↑ Недостатки

Основной из выявленных мной недостатков моего блока питания является корпус, он маловат. При наличии большего пространства можно было бы объединить плату А2 и А3, при желании поставить внутрь небольшой вентилятор, так же в больший корпус влезет больший трансформатор при наличии. Мой трансформатор конечно слабоват, 3 А без пульсаций получилось только при 28,5V.

При 30V, пульсации пролазят на выход, мне как всегда пару витков не хватило, но даже если бы хватило все равно ничего хорошего не получилось, так как 90 Ватт это его максимальная мощность и при длительной эксплуатации он будет греться, воск, которым я пропитал транс чувствую, потечет.

Следующий недостаток — это измерительный прибор, мало того он не может одновременно показывать ток и напряжения, так он повлек за собой датчик тока относительно большого сопротивления, который при токе 3А немного нагревается, ситуацию усугубляет плохая вентиляция в корпусе. Как следствие нагрева — изменение сопротивления шунта и мой амперметр немножко начинает врать, но это для меня не критично.

Для тех кто решит повторить схему рекомендую не повторять мои ошибки, не жалеть резисторов на шунт. Трансформатор выбрать с запасом мощности, и использовать более современный вольтметр и амперметр, цифровой например. Перечисленные мною недостатки в принципе не относятся к схемному решению, поэтому я своей работой доволен.

↑ Файлы

Схема: 🎁Shema.zip  26.03 Kb ⇣ 295
Разное: 🎁Raznoe.zip  444.38 Kb ⇣ 191
Печатные платы: 🎁Plata.zip  49.42 Kb ⇣ 189

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации