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
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:

Амперметр древний.
Рис. 3.
Прибор на новый лад: вольтметр + амперметр
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.

Корпус блока питания
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.

Элементы передней панели
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.

Плата лабораторного блока питания, моя конструкция и дополнения. Мультиобзор.

Данный текст написан не столько ради обзора самой платы блока питания, в этом преуспел, уважаемый Kirich и другие авторы, а скорее ради описания получившейся у меня конструкции в целом, с необходимыми, на мой взгляд, этому блоку питания дополнениями в виде термоконтроллера вентилятора, индикатора напряжения и тока, автоматического переключателя обмоток трансформатора, электронного отключения нагрузки, ну и собственно силового трансформатора и корпуса. Часть устройств куплена на AliExpress, а другая часть собрана с нуля. Для первых будут ссылки, а для последних схемы… Итак, используемые компоненты: — Готовый тороидальный трансформатор 150Вт, имеющий 2 обмотки по 12 вольт, купленный в чип и дип. Такой трансформатор был выбран с расчетом возможности переключения обмоток, разделив диапазон выходных напряжений на 2 поддиапазона — 0-11в и все, что выше (используя или одну 12 вольтовую обмотку или 2 последовательно соединенные такие же обмотки, в сумме дающие ~24В). Поверх двух заводских вторичных обмоток еще были намотаны 2 дополнительные. Первая — маломощная на 13В для питания дополнительных устройств и вентилятора охлаждения. Вторая обмотка более мощная, на 7В., намотанная проводом 1,5мм (можно было использовать тоньше, но такой был у меня в наличии), для питания отдельного 5-вольтового USB выхода, подключенного к линейному стабилизатору 7805; — Плата-конструктор лабораторного источника питания с AliExpress. Набор реально стал стоить копейки — чуть больше 5$. Долетел до Минска за 29 дней, трек отслеживался. Собранная мной плата на фото выше. Заменил лишь комплектный кондер на 10 000мкф и диоды выпрямителя, диодами Шоттки SR560 на ток 5A. Менять операционные усилители, пока не стал…;

— А это полностью самодельный блок электронного подключения нагрузки, о нем по подробнее: Итак, небольшое ТЗ.

— После включения блока питания нагрузка должна быть отключена в независимости от последнего состояния. — О выключенной нагрузке должен сообщать мигающий красный светодиод. — О включенной нагрузке должен сообщать постоянно горящий зеленый светодиод. — Подключение нагрузки происходит при помощи реле. — Аппаратное подавление дребезга контактов.

После включения мигает красный светодиод VD2. Триггер шмитта 74HC11 позволяет окончательно и бесповоротно избавиться от дребезга контактов. При нажатии кнопки, светодиод VD2 гаснет, а VD1 (зеленый) загорается, одновременно с ним открывается транзистор VT1 и включается реле K1. При следующем нажатии нагрузка и зеленый светодиод VD1 отключаются, красный светодиод VD2 начинает мигать. Диод VD1 защищает транзистор от всплесков напряжения на катушке реле. Собрана схема на макетной плате. Если не ставить на входе триггер Шмитта (и бороться с дребезгом программными средствами), то необходим подтягивающий резистор 10К на 7 выводе микроконтроллера. В планах добавить еще один канал управления на вход микроконтроллера int0. Управляться будет USB выход.

Управляющая программа написана в среде Bascom.

В основном цикле мигает красный светодиод, при условии, что на выходе PB2 низкий уровень, т.е. нагрузка отключена, а зеленый светодиод не горит. По прерыванию Int1 вызывается подпрограмма Swbutton. Оператор Toggle переключает состояния выхода PB2 (если был 1 то станет 0 и наоборот). После переключения выхода программа возвращается в основной цикл, до следующего прерывания;

Под спойлером исходник

$regfile = «attiny2313.dat» $crystal = 4000000 Config Portb.1 = Output Config Portb.2 = Output Config Pind.3 = INPUT Config Int1 = Falling

Dim Wtime As Byte

On Int1 Swbutton

Cls

Wtime = 255

Enable Interrupts Enable Int1

Do if pinb.2 = 0 Then Set Portb.1 Waitms Wtime Reset Portb.1 Waitms Wtime Else ‘Pinb.4 = 0 End If Loop End

Swbutton: Toggle Portb.2

Return

End

Вот такая передняя панель. Временная, т.к. буду переделывать и компоновку и материал вставки менять надо (был белый вспененный пластик — смотрится коряво, а будет заглушка от компьютерного корпуса, которая попадает в цвет всего устройства). Но это чуть позже, когда дойдут из китая многооборотные резисторы. Так же добавится USB разъем. Красный регулятор — напряжение, синий — ток (цвета ручек выбраны в соответствии с цветами свечения сегментов индикатора). Прямоугольный зеленый светодиод под индикатором начинает светиться при подключении второй обмотки трансформатора. Над синим регулятором светодиод индикации стабилизации по току (красного цвета). Ну и в районе выходных клемм красная кнопка подключения нагрузки и двухцветный светодиод (красно-зеленый).

Все компоненты соединены между собой в соответствии со следующей схемой (справлена, спасибо пользователю MisHel64):

С внутренней стороны, к корпусному вентилятору прикручен радиатор (от какого-то старого процессора). К радиатору на термопасту прикручен транзистор и датчик термоконтроллера. Все установлено в корпус с задней стороны.

Обмотки трансформатора я решил подключить при помощи клемм Wago, получилось очень удобно. В проводах небольшой сумбур, хотя они укладывались и стягивались стяжками. Может потом переделаю…

Теперь перейдем к тестированию. Сразу оговорюсь, что тестировать будем не столько саму плату БП, сколько всю конструкцию в сборе. Начнем с индикатора. Под спойлером находятся наглядные фото тестирования. Показания сравнивались с эталонным профессиональным цифровым мультиметром Актаком АМ-1095.

Тестирование показаний вольметра

Тестирование показаний амперметра

А вот от платы блока питания больше 26В при 10 Омной нагрузке, а токе, соответственно, в 2.6А, получить не удалось, хотя на холостом ходу блок питания выдает 31В.

Тестируем стабилизацию тока (мультиметр, в режиме измерения тока, напрямую подключен к выходным клеммам):

Фотки

Еще тесты:

Сравним напряжение на выходе выпрямителя с выходным. (На мультиметре напряжение на выходе диодного моста) Слева без нагрузки, справа с нагрузкой:

Ну, вот осталось только измерить пульсации, хотя для линейных блоков питания это наверное излишне и надо скорее, что бы подчеркнуть их беспроблемность в этом плане, хотя…

Меряем пульсации

Сразу оговорюсь, т.к. блок линейный, на показания частотомера обращать внимания не стоит — он меряет абы что… Меряем: эффективное значение (минимальные показания на скриншотах), максимум пиковый (средние показания) и диапазон (максимальные значения). 10В, 1А:

Подтверждение покупок

↑ 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.
Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.

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.

Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.

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

Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.

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

Рис. 10.

Блок питания без крышки

Схемы модулей лабораторного БП

Все схемы плат питания были спроектированы с нуля, также и все печатные платы являются самостоятельной разработкой. Первый модуль “Z” – это диодный мост, фильтрация напряжения, формирование отрицательного напряжения для питания операционных усилителей, источник положительного напряжения 34 В постоянного тока для операционных усилителей, питание от отдельного вспомогательного трансформатора, реле, используемое для переключения обмоток главного трансформатора, управляемых от другой печатной платы, и источник питания 5 В 1 A для измерители мощности.

Модули “Z” обоих блоков были сконструированы так, чтобы быть почти симметричными (чтобы лучше вписываться в корпус БП). Благодаря этому разъемы ARK были размещены на одной стороне для подключения проводов и радиатора для мостового выпрямителя, а платы, как показано на рисунках, размещены симметрично.

Здесь использован 8-амперный диодный мост. Основные трансформаторы имеют двойные вторичные обмотки, каждая 14 В и ток чуть более 5 А. Блок питания был рассчитан на 5 ампер, но оказалось, что при полном напряжении 30 В не получается полных 5 А. Тем не менее, нет проблем с нагрузкой 5 ампер при более низком напряжении (до 25 В).

Второй модуль представляет собой расширенный вариант блока питания с операционными усилителями.

В зависимости от того, нагружен источник питания или находится в режиме ожидания, напряжение в области усилителя U3, ответственного за ограничение тока, изменяется (при той же настройке пределов потенциометра). Схема сравнивает напряжение на потенциометре P2 с напряжением на резисторе R7. Часть этого падения напряжения подается на инверсный вход U4. Благодаря этому выходное напряжение зависит от настройки потенциометра и практически не зависит от нагрузки. Почти потому, что по шкале от 0 до 5 А отклонение находится на уровне 15 мВ, чего на практике достаточно, чтобы получить стабильный источник для управления схемами LM3914, образующими светодиодную линейку.

Схема визуализации особенно полезна, когда для регулировки используются многооборотные потенциометры. Замечательно, что с помощью такого потенциометра можно легко установить напряжение с точностью до третьего знака после запятой. Каждый светодиод в линейке соответствует току 0,25 А, поэтому, если предел тока ниже 250 мА, линия не отображается. Способ отображения линейки можно изменить с точки до линейки, но здесь выбрана точка, чтобы избежать влияния слишком большого количества световых точек и снизить энергопотребление.

Следующим модулем является система переключения обмоток и система управления вентиляторами, что установлены на радиаторах старых процессоров.

Питание цепей от независимых обмоток вспомогательного трансформатора. Тут использованы м/с ОУ LM358, которые содержат внутри два операционных усилителя. В качестве датчика температуры использован транзистор BD135. После превышения 55C вентиляторы включаются, а после охлаждения примерно до 50C автоматически выключаются. Система переключения обмотки реагирует на значение напряжения на клеммах прямого выхода источника питания и имеет гистерезис около 3 В, поэтому не будет слишком частого срабатывание реле.

Измерение напряжения и тока нагрузки осуществляется с помощью чипов ICL7107. Платы счетчиков являются двухсторонними и имеют такую ​​конструкцию, что для каждого источника питания на одной плате имеется вольтметр и амперметр.

Полезное: Активный автомобильный сабвуфер, способный работать автономно

С самого начала идея состояла в том, чтобы визуализировать параметры блоков питания на семисегментных LED дисплеях, потому что они более читабельны, чем ЖК-дисплей. Но ничто не мешает измерять температуру радиаторов, переключателей обмоток и системы охлаждения на одном МК Atmega, даже сразу для обоих источников питания. Это вопрос выбора. Использование микроконтроллера выйдет дешевле, но как уже писали выше – это дело вкуса.

Все вспомогательные системы питаются от трансформатора, который был перемотан путем удаления всех обмоток, кроме сетевой 220 В (первичной). Для этой цели использовался TS90 / 11.

В качестве вторичной обмотки намотаны 2 x 26 В переменки для питания операционных усилителей, 2 x 8 В переменки для питания индикаторов и 2 x 13 В для питания контроля температуры. Всего было создано шесть независимых обмоток.

↑ 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.

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).

↑ 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.

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 X1 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.

↑ 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:

Электронный коммутатор вторичных обмоток лабораторного БП.

Существует очень много различных схем для переключения отводов вторичных обмоток трансформатора в лабораторных блоках питания, для уменьшения рассеиваемой мощности выходных транзисторов БП, и для повышения КПД блоков питания при небольших выходных напряжений. Есть схемы «переключалок» и на реле, и электронные варианты на симисторах, типа такой, как на рисунке ниже.

Симисторы ко вторичной обмотке силового трансформатора подключаются у такого переключателя следующим (или подобным) образом.

У всех этих схем имеются какие то свои определённые недостатки. Схемы не реле издают щелчки, да и контакты реле не вечны, особенно в режиме стабилизации (ограничения) тока. В схеме на симисторах подобного недостатка нет, она работает достаточно стабильно, но … бывают такие моменты, когда вышибает симисторы, особенно с мощным трансформатором. То-ли один симистор не успевает закрыться, когда уже второй открылся, то-ли ещё какие либо причины, но факт остаётся фактом — симисторы иногда со свистом вышибает. Все эти недостатки скорее всего из-за того, что происходит коммутация обмоток с прерыванием тока. Что бы избавиться от этих недостатков, нужно уйти от прерывания тока, то есть не прерывать ток в нагрузке, а добавлять или уменьшать входное напряжение на блок питания.

Ниже Вашему вниманию предлагается схема электронного переключателя вторичных обмоток трансформатора, выполненного на тиристорах и лишённого этих недостатков. Её например можно применить в лабораторном блоке питания с выходным напряжением 0-35 вольт. Сразу скажу, что эта идея не моя, а предложенная kotosob

-ом с форума сайта «Паяльник», я лишь предлагаю свой вариант реализации данной идеи. Для данной схемы абсолютно все равно, в какой момент полупериода включаться тиристоры и в какое время напряжение на выпрямителе станет больше или меньше. В этой схеме тиристоры играют роль управляемых выпрямительных диодов, которые при их включении замещают и запирают выпрямительные диоды мостика, или открывшиеся тиристоры с меньшим выходным напряжением. Количество ячеек выпрямителя можно уменьшить или увеличить, в зависимости от потребностей.

Схема электронного коммутатора вторичных обмоток.

Схема работает следующим образом; Если выходное напряжение блока питания не превышает 7,5 вольт, то все стабилитроны (ZD1-ZD3) и соответственно тиристоры закрыты, и напряжение на диодный мост подаётся с первой части (II) вторичной обмотки силового трансформатора. При повышении выходного напряжения блока питания выше 7,5 вольт — открывается стабилитрон ZD1 и естественно транзистор VT1. Нагрузкой транзистора является светодиод симисторного оптрона, который отпирает симистор оптрона, и тот в свою очередь тиристоры VS1, VS2. Тиристоры начинают работать как выпрямительные диоды, а так, как их выходное напряжение превышает на 8 вольт (минус напряжение падения на тиристорах) выходное напряжение подаваемое на верхнее плечо диодного моста, последние просто запираются и выходное напряжение выпрямителя повышается. При дальнейшем увеличении выходного напряжения блока питания — открываются следующие стабилитроны и соответственно тиристоры и увеличивается выходное напряжение, подаваемое на конденсаторы фильтра. При уменьшении выходного напряжения блока питания — всё происходит в обратном порядке. Закрываются стабилитроны и соответственно сопутствующие им тиристоры, и напряжение подаваемое на конденсаторы фильтра — уменьшается. Пороги переключений здесь выбраны при следующих выходных напряжениях блока питания — 7,5; 15; 22,5 вольт, и зависят от применяемых стабилитронов. Соответственно напряжения подаваемые на вход блока питания равны 8, 16, 24, 32 вольт (без учёта падания напряжение на элементах выпрямителя). Схема рассчитана на применение в ней тиристоров. В схеме можно применять любые тиристоры с необходимым выходным током и допустимым напряжением, и если их нет, то можно поставить и любые симисторы. При применении последних, резисторы R1-R6 нужно исключить. И если применять симисторы серии ВТА, то их необходимо выбирать с максимальным током — не менее чем в 2-3 раза превышающий выходной максимальный ток блока питания.

При применении симисторов, чтобы схема работала должным образом, необходимо соблюсти следующее; Симисторы включаются вместо тиристоров следующим образом — 2-й анод симистора по даташиту — на место анода тиристора по схеме, -1-й анод симистора по даташиту — на место катода тиристора по схеме. Лучше всего применять тиристоры (и симисторы) в изолированных корпусах, что бы их можно было установить на общий радиатор. Так же оптроны, транзисторы и диоды можно применять любые в зависимости от имеющихся в наличии. Вторичная обмотка силового трансформатора содержит отводы (секции) на необходимое выходное напряжение и намотана проводом с сечением в соответствии с необходимым током нагрузки. В описываемой схеме, все секции вторичной обмотки одинаковы и имеют выходное напряжение 8 вольт. Вы вполне можете сами выбрать по своему усмотрению пороги переключений, количество секций (отводов) вторичной обмотки трансформатора и количество необходимых Вам каскадов (ячеек) выпрямителя. Схема питается от дополнительного источника с выходным напряжением 5 вольт. Можно использовать дополнительный источник с выходным напряжением 5-24 вольт, но в этом случае необходимо будет подобрать резисторы в коллекторных цепях транзисторов так, что бы при открытии транзистора, ток через светодиод оптрона не превышал 10-15 мА.

Да, описанная схема обладает гистерезисом, так как стабилитроны здесь открываются плавно. Для простых БП это вполне приемлемо, а там, где необходим БП со стабилизацией тока и быстрых изменений напряжения на нагрузке, схему на стабилитронах лучше всего заменить схемой на компараторах и выставить гистерезис в пределах до 0,5 вольт.

↑ 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.

Осциллограммы 2,9А 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.

Осциллограмма 19V, холостой ход, развязка АС

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

Осциллограмма 19V, нагрузка 1-2А, развязка АС

↑ 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.

Блок управления лабораторным трансформатором

Радиолюбителю часто требуется регулируемое переменное напряжение. Обычно его получают с помощью лабораторного регулируемого автотрансформатора (ЛАТР). К сожалению, выход ЛАТР имеет гальваническую связь с сетью, а его подвижный электрод (ползунок) часто обгорает. Помимо порчи самого ползунка, это чревато и выходом из строя обмотки. Да и цена хорошего ЛАТР весьма высока, а изготовить его самостоятельно под силу немногим.

Есть давно известный способ регулировать напряжение на нагрузке, используя не автотрансформатор, а обычный трансформатор с несколькими вторичными обмотками, коммутируемыми переключателями. Такой трансформатор описан, например, в статье А. Терскова «С шагом в один вольт» («Радио», 1993, № 9, с. 24, 25). Его выход гальванически не связан с сетью, а выходное напряжение можно регулировать с шагом 1 В от 0 до 255 В.

К сожалению, постоянная необходимость расчётов для правильной коммутации вторичных обмоток такого трансформатора на нужное напряжение затрудняет его использование. О монотонном увеличении или уменьшении напряжения мелкими ступенями при этом и говорить не приходится. Но самый главный недостаток такого решения — установка всего одного переключателя в неправильное положение может вывести нагрузку, особенно низковольтную, из строя.

Чтобы не допустить подобных неприятностей, а также упростить пользование трансформатором, разработано устройство, представленное ниже. Ставилась цель использовать детали, которые наверняка найдутся в запасах радиолюбителя. Блок можно и упростить, но об этом будет сказано далее.

Схема лабораторного трансформатора (без блока управления) изображена на рис. 1. От схемы из упомянутой выше статьи А. Терскова она отличается только тем, что ручные переключатели заменены электромагнитными реле. Их контактные группы K1.1-K8.1 соединены так, что при обесточенных обмотках всех реле напряжение на выходе отсутствует. Так сделано для того, чтобы при переходных процессах, возникающих при включении трансформатора в сеть, на выходе не появилось напряжение. Максимальное напряжение (255 В) на выходе будет только в том случае, если сработали все реле.

Рис. 1. Схема лабораторного трансформатора (без блока управления)

В отличие от оригинала, трансформатор T1 имеет дополнительную обмотку X с диодным выпрямительным мостом VD1 для питания обмоток реле и интегральным стабилизатором напряжения DA1 питания микросхем блока управления.

Блок управления, схема которого изображена на рис. 2, ставит в соответствие каждому из возможных значений выходного напряжения (от 0 до 255 В с шагом 1 В) восьмиразрядный (по числу реле, переключающих обмотки) двоичный код. Единица в любом разряде этого кода означает, что соответствующее реле должно сработать, ноль означает, что оно должно отпустить якорь.

Рис. 2. Схема блока управления

При напряжении на первичной обмотке трансформатора 230 В выходное напряжение в вольтах равно числу, установленному нажатиями на кнопки SB1 и SB2 на индикаторах HG1-HG3. Необходимость в процессе эксплуатации думать о правильной коммутации вторичных обмоток отпадает, что повышает удобство и оперативность установки нужного выходного напряжения.

Следует, правда, отметить, что блок управления не измеряет выходное напряжение, а только показывает на индикаторе его «теоретическое» значение. По этой причине, при отличии напряжения в сети от номинального и под влиянием нагрузки, фактическое выходное напряжение может отличаться от того значения, что показывают индикаторы.

Условно блок управления можно разделить на несколько функциональных узлов. Это — реверсивный счётчик на микросхемах DD2-DD4 с управляющей им логикой на микросхеме DD1, преобразователь кода на микросхеме РПЗУ DS1, блок индикации на микросхемах DD5-DD7.

На логическом элементе DD1.1 построен генератор импульсов частотой около 2 Гц. Элемент DD1.4 инвертирует сигнал генератора. Инверсия нужна для того, чтобы счётчики DD2-DD4 изменяли состояние при нажатии, а не при отпускании кнопок SB1 и SB2.

Регулируют напряжения кнопками SB1 (в сторону уменьшения) и SB2 (в сторону увеличения). Цепи R1C3и R3C4 подавляют дребезг контактов кнопок. Пока ни одна из кнопок не нажата, на управляющем входе генератора (выводе 1 DD1) установлен низкий логический уровень. При нажатии на кнопку SB1 на этот вход через резистор R9 и развязывающий диод VD4 поступает напряжение высокого уровня. Через некоторое время генератор запускается. Если на кнопку нажимать кратковременно, генератор не заработает, но на его выходе в ответ на каждое нажатие появится одиночный импульс. С каждым импульсом содержимое счётчика уменьшается на единицу.

Чтобы по достижении счётчиками нулевого состояния избежать их резкого перехода в состояние 999, при достижении нуля работу генератора блокирует через диод VD6 низкий логический уровень сигнала переполнения с вывода 7 счётчика DD4. Далее запуск генератора возможен только кнопкой SB2. Работа этой кнопки аналогична, но, помимо запуска генератора, она подаёт высокий уровень на входы управления направлением счёта (выводы 10) счётчиков DD2-DD4. По достижении максимального значения 255 уровень напряжения на выходе элемента DD1.3 становится низким и через диод VD3 блокирует работу генератора.

Поскольку устройство не должно реагировать на одновременное нажатие обеих кнопок, в него введён узел блокировки (резисторы R2, R6, R7). Напряжение с резистора R2 подано на вход разрешения счёта (вывод 5) счётчика DD2. Если нажаты обе кнопки, уровень этого напряжения становится высоким, что запрещает счёт импульсов.

Цепь R11C12 служит для обнуления счётчиков DD2-DD4 при подаче напряжения питания. Можно обнулить их в любой момент и нажатием на кнопку SB3. Поскольку выводы 9 счётчиков соединены с общим проводом, счётчики работают в десятичном режиме, формируя на выходах трёхзначное десятичное число в двоично-десятичном коде — заданное значение выходного напряжения. Это число поступает на адресные входы ППЗУ DS1. Каждому значению выходного напряжения в нём соответствует ячейка памяти, в которой записан двоичный эквивалент двоичнодесятичного числа. Например, по адресу 10 0011 0000 (двоично-десятичное представление числа 230) находится код 11100110 (двоичное число, равное десятичному 230).

Код с выходов РПЗУ DS1 подан на электронные ключи, собранные на транзисторах VT1 -VT8 и управляющие реле K1-K8. На рис. 2 представлена схема только одного ключа, остальные идентичны. Ключи на дискретных транзисторах можно заменить микросхемой КР1109КТ63 (ULN2803A), содержащей восемь таких ключей.

Число с выходов счётчиков поступает и на узел индикации, состоящий из преобразователей двоично-десятичного кода в «семиэлементный» DD5-DD7 и светодиодных индикаторов HG1-HG3. Индикатор HG3 показывает единицы, HG2 — десятки, а HG1 — сотни вольт.

На транзисторе VT9 выполнен узел гашения незначащего нуля в старшем разряде индикатора. Коллектор этого транзистора соединён с входом гашения индикации преобразователя кода DD7. Если счётчик DD4 содержит число 1 или 2, то в базовую цепь транзистора VT9 через диод VD18 или VD19 поступает напряжение высокого уровня, транзистор открыт, индикатор HG1 включён.

Аналогично на транзисторе VT10 построен узел гашения незначащего нуля на индикаторе HG2. Если число в счётчике DD3 отлично от нуля, на базу транзистора VT10 через диоды VD20- VD23 поступает напряжение высокого уровня. Низкий логический уровень на коллекторе VT10 разрешает работу преобразователя кода DD6 и индикатора HG2. Если в счётчике DD3 ноль, но открыт транзистор VT9 (в счётчике DD4 1 или 2), то на вход гашения индикации преобразователя кода DD6 напряжение низкого уровня поступает через диод VD24 с коллектора транзистора VT9.

От диодов VD18-VD23 можно было отказаться, подав в базовые цепи транзисторов VT9 и VT10 сигналы с выходов переполнения соответствующих счётчиков, но в этом случае погашенные незначащие нули будут вспыхивать при нажатиях на кнопку SB2.

При желании узел индикации можно исключить, а к выходу трансформатора подключить вольтметр переменного тока с пределом измерения 300 В. В этом случае можно удалить также микросхему РПЗУ и счётчик DD4, а оставшиеся два переключить на работу в двоичном режиме. Сигналы на транзисторные ключи, управляющие реле, в этом случае следует подавать с выходов счётчиков. Точность установки выходного напряжения при таком упрощении будет зависеть от погрешности вольтметра.

Печатная плата для блока управления не разрабатывалась, однако часть узлов можно разместить на печатных платах, представленных на рис. 3 и рис. 4. Они в своё время разработаны для других устройств, но подойдут и для представленного в статье. Остальные элементы можно смонтировать на макетной плате, соединив их выводы монтажным проводом. Блокировочные конденсаторы C5-C10 устанавливают непосредственно на выводах питания микросхем. Обратите внимание, что на рис. 3 выделены цветом номера точек подключения платы индикации к выходам счётчиков. Эти номера совпадают с номерами проводов соответствующего жгута на схеме рис. 2.

Рис. 3. Печатная плата блока управления

Рис. 4. Печатная плата блока управления

В устройстве применены резисторы МЛТ, все конденсаторы — импортные. Вместо транзисторов КТ315Г можно применить любые транзисторы той же серии. Кроме того, транзисторы КТ315Г (VT1-VT8) можно заменить на 2SС945, а остальные — на любые маломощные n-p-n транзисторы. Диоды КД522А можно заменить на КД521, КД510 с любыми буквенными индексами или на 1N4148. Замена диодов КД243В — широко распространённые диоды 1N4007. Возможность замены микросхем серий К176 и К561 их импортными аналогами не проверялась. Микросхему КР573РФ5 перед установкой в устройство необходимо запрограммировать. Допускается её замена на импортную серии 2716 или 27С16.

Кнопки и переключатели могут быть любыми. Реле использованы импортные RAS-1215, их можно заменить другими с рабочим напряжением обмотки 12 В и с контактами на переключение, способными коммутировать нужный ток нагрузки. Сопротивление обмотки применённых реле — 400 Ом.

Трансформатор T1 может быть намотан по рекомендациям А. Терскова, но с дополнительной обмоткой X на напряжение 10 В, намотанной проводом диаметром не менее 0,4 мм. Но вместо магнитопровода ПЛ 25x50x100 лучше применить магнитопровод ШЛ близкого сечения — гораздо проще наматывать обмотки не на двух, а на одном каркасе.

Налаживание устройства состоит в подборке, если нужно, частоты генератора на элементе DD1.1. При указанных на схеме номиналах элементов она — около 2 Гц. Слишком высокой эту частоту устанавливать не следует, поскольку будут сильно искрить и подгорать контакты реле. Желательно также проверить правильность программирования ПЗУ. При установке на индикаторах HG1-HG3 значения выходного напряжения на выходах РПЗУ DS1 должен появляться двоичный код этого числа.

Если необходимо, можно ускорить установку напряжения, введя дополнительный переключатель SA1 и кнопку SB4 согласно схеме, показанной на рис. 5. При показанном на ней положении переключателя SA1 устройство работает как обычно. При включении режима быстрой установки все реле будут выключены, что сделает напряжение на выходе трансформатора нулевым. Кнопкой SB4 подключают параллельно резистору R5 резистор R35, увеличивая этим частоту генератора приблизительно в пять раз. Теперь можно быстро установить на индикаторе нужное значение, а затем, вернувшись в обычный режим, получить на выходе требуемое напряжение.

Рис. 5. Схема включения переключателя SA1 и кнопки SB4

Эксплуатацию трансформатора с описанным блоком управления сопровождает такое неприятное явление, как подгорание контактов реле (чему, впрочем, подвержены и ползунок ЛАТР, и переключатели). Если нагрузка трансформатора содержит индуктивную составляющую (например, двигатель или другой трансформатор), то может потребоваться зашунтировать контакты реле защитными RC-цепями (на схеме рис. 1 не показаны). Как вариант, можно устанавливать напряжение без нагрузки, а нагрузку подключать после, тогда подгорания контактов не будет.

В заключение отмечу, что применение описанного блока управления не ограничено только лабораторным трансформатором, его можно использовать, например, в блоке питания. В этом случае на трансформаторе следует оставить только первичную обмотку, вторичные обмотки II-VII и X и пять реле (K1 — K5). Можно будет устанавливать напряжение от 1 до 31 В с шагом 1 В, чего для большинства лабораторных блоков питания вполне достаточно.

Файлы программирования РПЗУ DS1 в нескольких форматах с одинаковым содержимым можно скачать здесь.

Автор: Е. Герасимов, станица Выселки Краснодарского края