Портативный лабораторный блок питания «Лайт»

Привет, коллеги-датагорцы! Появились свободное время и возможность воплотить в жизнь то, о чём давно размышлял — малогабаритный портативный лабораторный блок питания. Так сказать, лайт-версия. Нужна небольшая «коробочка», с которой удобно работать, которая не занимает много места на столе, а при нужде её легко захватить с собой.
С другой стороны, необходима широкая регулировка напряжения и, разумеется, защита от короткого замыкания в нагрузке.
Исследование вопроса и практическая реализация далее в моей статье.

↑ Формирование технического задания

Самый важный и самый творческий этап всего проекта это выбор схемы лабораторного блока питания. Это зависит от того, какими именно требованиями к прибору мы зададимся.


Кроме того в голове вертелась мысль, что со временем будет нужен подобный блок питания с расширенными параметрами — бОльшими диапазонами регулирования, бОльшими токами, и с системой регулировки отсечения по выходному току. Потому неплохо выбрать и «обкатать» такую схему, которая в дальнейшем легко модернизировать до необходимых выше перечисленных требований.

И последнее, но не менее важное требование — использование дешевых распространенных компонентов. Или их замена на старые советские аналоги.

↑ Выбор схемы ЛБП

Забавно, но у меня как раз получилось как в рекламе: «при всем богатстве выбора другой альтернативы нет».
Как любой современный человек, я первым делом полез с расспросами в «Яндекс» и «Гугл». Эти поисковики щедро засыпали меня всевозможными схемами, проектами, и даже готовыми изделиями, которые можно купить буквально здесь и сейчас. Понятное дело, что легких путей мы не искали, потому варианты с покупкой ЛБП были отсеяны сразу, а, вот, над схемами пришлось поразмышлять.

↑ LM317

Как ни странно, но первым приглянулась до примитива простая схема на интегральном стабилизаторе LM317. И все, вроде бы, неплохо, но… ток в нагрузке только 1 А. В мануале пишут 1,5, но у меня из опыта общения с этой микросхемой более или менее адекватно её получалось нагрузить током 0,5 — 0,8А. Дальнейшее увеличение ничего хорошего не обещало.
Кроме того, минимальное значение регулируемого напряжения 1,25… тоже как-то не внушало восторга.

Конечно, все перечисленные недостатки решались тем или иным способом (добавлением транзистора для увеличения тока в нагрузке и формированием дополнительного источника отрицательного напряжения для управляющего напряжения), но я продолжил поиски дальше, отложив проект с LM317 в сторону.

↑ Схемы на транзисторах

Следующие «к осмотру» были схемы на транзисторах. Многие из них были очень неплохи, но большинство из них не подошло по причине недостаточности в области коэффициента пульсаций и коэффициента стабилизации. При чем эти параметры сильно зависели от тока отдаваемого в нагрузку. Уж если заморачиваться, то хотелось бы…

↑ К142ЕН1

Рассматривалась так же схема на почти ушедшей в небытие К142ЕН1. Очень неплохая микросхема для блока питания с неплохими ожидаемыми характеристиками. У неё есть встроенный источник опорного напряжения с достаточно высокими параметрами, усилитель постоянного напряжения и встроенная защита.

Единственный минус — непредсказуемость поведения на границах диапазона регулировок. Да и сам этот диапазон по мануалу очень невысок — от 3 до 12 Вольт. Если питать микросхему отдельным источником питания, то верхний диапазон ещё можно расширить, но что делать с нижним? Опять колхозить отрицательный источник напряжения?

↑ Победитель — схема на ОУ

В общем, подобным образом пришел к схеме построенном на операционном усилителе. Структурно схема напоминает схему на 142ЕН1, но состоит из самостоятельных отдельных узлов.
В принципе, эта схема отвечает практически всем перечисленным в начале статьи параметрам. И имеет серьезный потенциал к модернизации.


Логика построения схемы достаточно проста: «сердцем» блока является источник опорного напряжения (ИОН) (рисунок 2). Формируемое источником высокостабильное напряжение частично или полностью, через регулятор подается на неинвертирующий вход усилителя постоянного тока (УПТ) выполненном на операционном усилителе ОР1.

Исходя из теории построения схем на операционных усилителей, на выходе ОР1 мы должны получить высокостабильное напряжение, такое же как на входе, но усиленное в К раз, где К — коэффициент усиления заданный отношением сопротивлений R1 и R2 в петле обратной связи, но не больше, чем напряжение питания самого операционного усилителя. Если размах питания большинства современных типовых ОУ составляет около 30 Вольт, а выходное напряжение где-то порядка 0,7 от напряжения питания, то теоретически, БП построенный по схемотехнике приведенной на рисунке 2 может составлять где-то около 20 — 25 Вольт. Маловато, конечно, по меркам «лабораторника», ну да ладно.

Но у нас есть ещё одна «засада» — низкая нагрузочная способность самого ОУ. Даже у достаточно «сильноточных» ОУ широкого применения, выходной ток составляет порядка 0,3А (К157УД1), а у таких типовых ОУ широчайшего применения, как К140УД7 (LM741) выходной ток не более 40mA.

Сейчас есть крайне мощные ОУ, например OPA541AP, но платить за один такой корпус около 1000₽ я не готов. Тем более, что у нас в «загашнике» есть недорогой способ решения этой проблемы — повышение нагрузочной способности ОУ посредством использования мощного транзистора.

На рисунке 2 приведен пример простейшего способа усиления — применение эмиттерного повторителя на транзисторе Т1 структуры n-p-n. В результате, на «плечи» именно этого транзистора ложится вся «забота» силового регулирования блока питания, следовательно к выбору этого транзистора следует подойти крайне тщательно: его разрешённое рабочее напряжение между эмиттером и коллектором должно составлять не меньше напряжения, которое мы планируем регулировать.

Лучше выбирать с большим запасом. В нашем случае, Uк-э должно быть значительно больше наших 25 Вольт. Рабочий ток транзистора не менее 1А. При этом следует помнить, что использования радиоэлемента в двух критических режимах недопустимо. Либо максимальный ток, но большой запас по напряжению, либо наоборот — напряжение «на пределе», но большой по току запас.
Самое хорошее — когда есть запас и там и там.

Прошу заметить, что весь предыдущий разговор велся для примитивного способа умощнения ОУ с помощью эмиттерного повторителя, у которого так же есть свои ограничения, когда речь заходит о высоких напряжениях и токах. Потому, есть и иные схемы включения транзисторов, которые позволяют обойти ограничения эмиттерного повторителя и мы их рассмотрим далее.

А пока хотелось бы обратить внимание на то, что петлей обратной связи охвачен не только сам УПТ, но и в том числе весь выходной узел, так, что любое изменение выходного напряжения на нагрузке неминуемо влечет «отклик» операционного усилителя. Опять же из теории ОУ мы знаем, что операционный усилитель будет стремиться привести выходное напряжение к заданному до той поры, пока ему хватит собственного коэффициента усиления. А он даже у самых «старых» ОУ составляет несколько десятков тысяч.
В нашем случае, эти показатели «трансформируются» в огромные коэффициенты стабилизации и подавления импульсных помех.

Теперь перейдем более подробному рассмотрению функциональных узлов схемы.

↑ Источник опорного напряжения

«Сердцем» как подобного, так, в принципе, любых других линейных (не импульсных) стабилизаторов напряжения является некий узел, обладающий повышенными параметрами по стабилизации. Как правило, такие блоки выдают опорное напряжение, которое в дальнейшем используется для формирования напряжения выходного, с параметрами, задаваемыми этим источником. Следовательно, к параметрам этого узла следует относиться с особым вниманием.

Самым простым формирователем опорного напряжения может быть стабилитрон, или его аналог. Схема построения подобного узла представлена на рисунке 3-А.


Как правило, параметры стабилизации определяются током стабилитрона. Исходя из этого тока, а так же тока уходящего в нагрузку, определяют номинал резистора.

Если же ток, протекающий через стабилитрон, зафиксировать в нужных значениях, то параметры стабилизации можно значительно улучшить. Для этого вместо резистора используют генераторы (источники) тока. Их задача выдавать стабильный ток, вне зависимости от параметров нагрузки и входного напряжения.
Схем генераторов тока много, но самая простая схема — на базе полевого транзистора. Одна из них представлена на рисунке 3-Б.

Эту схему я выбрал в качестве ИОН. Но, что бы иметь возможность оперативно менять параметры этого напряжения, вместо обычного стабилитрона применил программируемый стабилитрон TL431 (рисунок 3-В). Напряжение стабилизации, а в нашем случае величина опорного напряжения зависит от отношения сопротивлений R5 и R4.

В тех случаях, когда невозможно купить стабилитрон (что, в принципе себе трудно представить) его можно заменить схемой, представленной на рисунке 4.

Транзисторы любые маломощные, с напряжением К-Э не менее 20 Вольт.

↑ Регулятор напряжения

Его основная задача выдавать в последующую схему часть сформированного высокостабильного напряжения, определяющего выходное напряжение всего устройства. Именно от этого узла зависит точность установки выходного напряжения. И потому я применил многооборотный резистор.


Если предположить, что опорным будет напряжение не выше 15 Вольт, а ток, выдаваемый TL431 составляет около 0,1А, то минимальное значение регулирующего сопротивления должно составить порядка 150 Ом. Для стабилитрона с током стабилизации в 30mA, минимальная величина потенциометра 500 Ом. А что бы сохранить линейность регулировки, этот узел должен иметь сопротивление не менее чем в десять раз больше. То есть регулирующий потенциометр должен быть не менее 1,5 кОм для TL413 и не менее 5кОм для стабилитрона. Вполне подойдут резисторы номиналом 5 — 20 кОм.

Указанный потенциометр обеспечивает высочайшую точность и стабильность регулировки, единственный его недостаток это увеличение времени «перебега» от минимального значения напряжения к максимальному. Но с этим вполне можно мериться.

Разумеется, при отсутствии многооборотного потенциометра, его легко можно заменить двумя, с грубой и точной регулировкой. Потенциометру с точной регулировки желательно ограничить диапазон, установив в плечи постоянные резисторы. Варианты включения могут быть любыми, главное что бы они не нагружали ИОН в своих крайних положениях.

Вариации возможных решений представлены на рисунке 6.


Обращу внимание на схему 6-Г, где для устранения взаимного влияния потенциометров друг на друга введен эмиттерный повторитель на транзисторе. Это расширяет диапазон применимых номиналов потенциометра. Например, в качестве Р5 можно поставить резистор 1 кОм, разумеется с соответствующим изменением резистора R7 в меньшую сторону, ибо он будет определять диапазон «точной» регулировки напряжения.

↑ Усилитель постоянного тока (УПТ)

Следующим элементом блока питания является усилитель постоянного тока, выполненный на операционном усилителе. Именно параметры конкретного ОУ будут определять параметры этого функционального узла. В принципе, о всех недостатках и особенностях ОУ было сказано выше, как-то недостаточный ток нагрузки, высокий коэффициент усиления, высокий коэффициент подавления синфазных помех, высокое входное сопротивление. Всех этих параметров с величайшим избытком хватает для построения УПТ блока питания, и потому сюда подойдёт практически любой ОУ широкого применения.

↑ Узел, повышающий нагрузочную способность УПТ

Как я уже говорил выше, самым простым является применение эмиттерного повторителя на транзисторе структуры n-p-n средней или большой мощности.

Немного о выборе этого транзистора. Если например, мы берем широко известный транзистор КТ817А в качестве регулирующего, а в качестве тока в нагрузке зададимся значением в 3 Ампер (максимальный ток для КТ817), то имея h21э=40 для этого транзистора подсчитаем необходимый базовый ток:



Но такой ток не каждый ОУ сможет выдать. Как я уже говорил, 741-й выдает максимум 40mA, а значит применяя этот ОУ и транзистор КТ817 мы сможем получить только
I_к= h_21э*I_б = 40*0,04 = 1,6А. И это расчетный максимум.
Практически он может немного отличатся, в зависимости от параметров применяемых компонентов.

Следовательно напрашивается вывод: либо мы применяем более мощный ОУ, что резко ограничивает нас в выборе, либо следует применять транзисторы с гораздо бОльшим h_21э и с более высоким рабочим током.

И одним из выходов это применение составного транзистора, одной проводимости (схема Дарлингтона, рис. 7-А) или разной (схема Шиклаи, рис. 7-Б).

Составной транзистор можно рассматривать как один, у которого h_21э равен произведению h_21э каждого входящего в его состав транзистора. И если применить «связку» из транзисторов КТ815А с h_21э= 30 и КТ805А с h_21э=15, то h_21э составного уже будет равен 30*15= 450. И, теоретически, работая с ОУ, способным выдать 40mA, такой составной транзистор может работать с токами I_к=0,04*450=18А!!!
Разумеется, в рассмотренном случае ограничивающим фактором станет электрическая прочность транзистора КТ805А, способного выдать не более 5А.

↑ Практическая схема лабораторного блока питания

В конечном результате, схема лабораторного блока питания стала выглядеть следующим образом:


На транзисторе Т1 выполнен узел питания ИОН и УПТ на микросхеме КР544УД1Б. Это обычный параметрический стабилизатор основным элементом которого является управляемый стабилитрон на TL431. Резисторами R2 и R3 можно выставить любое значение питающего напряжения, но не более 30 Вольт. Это напряжение максимально для применяемого ОУ. Практически вполне достаточно напряжения от 6 до 15 Вольт.

Для увеличения нагрузочной способности стабилизатора, в него добавлен эмиттерный повторитель на транзисторе 2SD667, с током коллектора до 1А. Его вполне можно заменить отечественным аналогом типа КТ815 или КТ817. Даже конфигурация выводов у них одинаковая, плату переделывать не нужно.

Надо сказать, что применение TL431 в узле питания УПТ и ИОН, обеспечивает достаточно высокие параметры по стабилизации напряжения. Потому, упростив схему можно отказаться от дополнительного ИОН, и подключить регулятор сразу к питающей шине (эмиттеру Т1). Однако я использовал дополнительный ИОН на TL431, для максимально возможных характеристик.

Для устранения ограничений, накладываемых максимальным входным напряжением ОУ, а в нашем случае, как мы помним, оно составляет где-то 0,7 от U_{питания}, то есть 0,7*14 = 9,8 Вольт, применяется усилитель на транзисторе T3, включенный по схеме с общим эмиттером.
Таким образом мы получаем возможность питая УПТ относительно малым напряжением, управлять каскадами составных транзисторов работающих с напряжениями 30 Вольт и выше.

В качестве составного транзистора выбрана схема Шиклаи, как обеспечивающая гораздо меньшее напряжение насыщения, нежели схема Дарлингтона.

↑ Защита от КЗ

В схему блока питания введен элемент защиты от короткого замыкания на выходе, на базе транзистора Т5. Работает защита следующим образом: при замыкании выходных клемм, эмиттер транзистора оказывается подключен к общему проводу схемы. А протекающий при коротком замыкании ток через резистор R9 создает на базе положительное падение напряжение, открывающее транзистор T5.
Открываясь, транзистор начинает проводить ток между коллектором и эмиттером, тем самым создавая на базе составного транзистора нулевой потенциал и как следствие, закрывает этот транзистор. В результате чего, ток перестает течь через составной транзистор Т2+Т4.

Остается только добавить, что при напряжении выше 20 Вольт, базу транзистора Т5 желательно подключать к плюсовой шине через резистор сопротивлением от несколько сот Ом до полутора килоОм.
Выбор резистора R9 зависит от величины тока КЗ. Чем больше ток, тем меньше его сопротивление.

↑ Дополнительные элементы ЛБП

В качестве дополнительного элемента, в блоке питания применен готовый функциональный узел, обеспечивающий измерение и отображение напряжения и потребляемого тока.

Как уже говорилось, куплен он был на Али и установлен в соответствии с прилагаемой схемой.

В моем случае, у меня имелся трансформатор с двумя обмотками и на одной из них я сделал отдельный стабилизатор для питания измерителя. Сглаживающие конденсаторы С6, С8 на рис. 8 слишком большой величины ставить не рекомендую: после выключения чем они дольше разряжаются, тем дольше светится индикатор.
Разумеется, измерительный узел можно питать и напряжением формируемым в блоке для питания ОУ и ИОН.

↑ Практическая реализация ЛБП

Всё устройство, не считая узла Вольт-амперметра, собрано на одной плате.




Плата изготовлена с помощью широко распространенной ЛУТ. Микросхема устанавливается в DIP-8 разъем, для возможности подбора ОУ. Отдельные индикаторы включения и выключения отсутствуют; их роль выполняют светящиеся цифры вольтамперметра.
В качестве дополнительной меры защиты, в схему введены одноразовые предохранители (плавкие вставки) — береженого Бог бережет.

Диодный мост и один из составных транзисторов установлены на краю платы для возможности их посадки на теплоотвод.
Мощный транзистор КТ805 применен в металлическом корпусе и установлен на корпусе с внешней стороны. Никаких других элементов, которые потенциально могли бы нагреться в схеме больше нет.

На самих разъёмах, внутри корпуса установлен двухваттный резистор 1 кОм, он в схеме не указан.

Его основная задача, разряжать выходные электролитические конденсаторы. В противном случае, при попытке уменьшить напряжение, зарядившиеся конденсаторы не дадут встроенному вольтметру оперативно показать эти изменения, и при отсутствии нагрузки, показания будут убывать крайне медленно.

↑ Корпус

Корпус прибора склеен из пластиковых панелей с помощью цианакрилатного клея типа «Сosmofen».

↑ Наладка

Собранный из исправных деталей и без ошибок блок питания начинает работать сразу. Однако в моем случае, выяснилось, что не со всеми ОУ он работает так, как ожидалось. Например, при использовании ОУ типа К140УД6 и К140УД7, минимальное значение регулирующего напряжения не опускалось ниже 5 Вольт.
С ОУ OPA177 минимальное значение опустилось до 1,5В. При использовании КР544УД1Б минимальное значение оказалось всего 45 милливольт.
И от этих значений можно плавно поднимать напряжение до 25 Вольт. Я не стал разбираться с этим феноменом, остановился на КР544УД1Б.

↑ Пути улучшения БП

Как я уже говорил выше, описываемый блок питания создавался как «лайт-версия». Напряжения питания выше двадцати Вольт не часто требуются. Но, все-таки, бывает. И в описываемой схеме, единственным ограничителем повышения рабочего напряжения служит составной транзистор Т2+Т4.
Если применить более высоковольтные транзисторы, то рабочее напряжение блока можно без проблем увеличить. Даже с использованными транзисторами напряжение можно увеличить до 40-50 Вольт.

Заменив транзисторы на более сильноточные можно увеличить максимальный рабочий ток блока питания. Кроме того, повысить ток можно параллельным включением транзисторов. Правда не следует забывать, что делать это нужно с установкой «выравнивающих» резисторов, а иначе может получится, что транзисторы разогреваются неравномерно.

Используя измерительный резистор в самом модуле ампервольтметра, можно внедрить систему отсечки напряжения блока питания при превышении током некоторого значения. Для этого необходимо собрать сравнивающий модуль падения напряжения на резисторе с неким опорным напряжением, и формирование управляющего напряжения, использующего в качестве отключающего блока питания. Если установить регулировку такого опорного напряжения, то можно будет управлять и током отсечки. Кроме того, такой узел может взять на себя и функции защиты блока питания, отключая его при некоторых максимальных значениях потребляемого тока.

На этом всё. Спасибо за внимание.
Успехов!