Например TDA7294

РадиоКот > Лаборатория > ОТК > Наше дромыхло

Регулируемый источник питания "Тихоня"

Автор: snb
Опубликовано 11.04.2017.
Создано при помощи КотоРед.

Каждый радиолюбитель рано или поздно приходит к осознанию того факта, что ему требуется регулируемый источник питания. Об идеальном ИП ходят легенды, более смахивающие на мифы, а в поисках идеальной схемы сломано немало копий. И как бы ни был интересен поиск идеала, а пользоваться нужно чем-то прямо сейчас. Имея скромный опыт в радиогулюбительстве, хочу рассказать о своём поиске и его завершении.

Первым моим лабораторным блоком питания - ЛБП (назовём его так и будем использовать такое название в дальнейшем, хотя это и не совсем верно) - стал Matrix MPS-3003D, собранный по схеме с переключением обмоток сетевого трансформатора и двумя регуляторами выходных параметров - «грубо» и «точно». Блок имеет сравнительно большие габариты, тяжёл, харизматичен и производит впечатление чего-то монументального. Присутствуют режимы стабилизации напряжения (CV) и тока (CC), максимальное выходное напряжение составляет 30 В, а ток 3 А. В целом, обычный блок, коих на рынке пруд пруди, разве что занесён в Госреестр.

 

 

Особенности источника питания MPS-3003D:

  • Два цифровых индикатора тока и напряжения (3 разряда, светодиодные). Постоянное напряжение или постоянный ток.
  • Высокая эффективность, яркие индикаторы и малогабаритная конструкция. Высокий показатель отношения мощность/масса.
  • Защита от перегрузки и переполюсовки напряжения. Высокоэффективный тороидальный трансформатор.
  • Электронное отключение. Дополнительный нерегулируемый выход 5 В / 1 А.

 

Технические характеристики источника питания MPS-3003D:

Входное напряжение

0 ÷ 30 В

Выходной ток

0 ÷ 3 А

Нерегулируемый выход

выходное напряжение:  5 В ± 1%, выходной ток:  1 А

Режим постоянного напряжения

Нестабильность напряжения

≤0.005%+2 мВ

под нагрузкой

≤0.005%+2 мВ

Пульсации и шумы

≤1 мВ (эфф.)

Температурный коэффициент

≤150х10-6 /°C

Режим постоянного тока

Нестабильность тока

≤0.2%+2 мА

Пульсации и шумы

≤0.2%+5 мА

Температурный коэффициент

≤500х10-6/°C

Нерегулируемый выход 5 В/1 А

Пульсации и шумы

≤2мВ (эфф.)

Погрешность дисплея

четыре знака: ≤0.1% от измеренного значения + 1d

три знака: ≤0.4% от измеренного значения + 1d

(d - значение младшего разряда)

Время отклика

≤100 мкс

Габариты

315 x 130 x 165 мм

Масса

около 5.6 кг

 

И вроде бы всё ничего, даже ощущаешь себя эдаким повелителем энергий, когда в ответ на вращение рукояток и нажатие кнопок что-то щёлкает и светится :-) Но есть в нём некоторые моменты, на которые со временем начинаешь обращать особое внимание.

Во-первых, это подача питания на выход в момент выключения прибора. Выглядит это следующим образом: включаем прибор, настраиваем выходные параметры, подключаем нагрузку и включаем выход, тем самым её запитывая. После проведения работ мы отключаем выход, нагрузка обесточивается. И если в этот момент выключить прибор кнопкой питания, то на выход подастся импульс, равный по величине напряжения выставленному ранее. Я так понимаю, что это разряжаются выходные конденсаторы. Это известная особенность многих недорогих (да и не только) ЛБП и с ней можно жить, нужно лишь помнить об этом и отключать нагрузку до выключения прибора.

Во-вторых, в определённых ситуациях очень неудобна раздельная регулировка «грубо» и «точно». Порой очень трудно поймать нужные значения, особенно когда понимаешь, что упёрся в границу по «точно», а нужно добавить ещё чуть-чуть, но уже нечем. Приходится откатываться назад, подстраивать «грубо» и опять возвращаться к «точно». Да и одно дело выставить заранее параметры и более их не менять, и совсем другое, когда необходимо постепенно их изменять, чтобы отследить реакцию нагрузки. Вот тут-то и начинаешь задумываться о дискретном изменении параметров с каким-то шагом, желательно произвольным.

Уже и не помню как именно, но попался мне ролик с обзором ЛБП «Крепыш». Казалось, что вот оно, то самое! Люди словно прочли мои мысли и сделали регулировку параметров согласно моим предпочтениям. Поиск в интернете привёл меня на сайт российской компании «E-Core», разработчика и производителя «Крепыша». Оказалось, что последний уходит со сцены и его сменяет регулируемый источник питания «Тихоня», о котором я и хочу рассказать.

 

 

Для начала ознакомимся с техническими характеристиками прибора.

Особенности источника питания «Тихоня»:

  • быстродействующая токовая защита обеспечивает высокую степень защиты питаемых устройств;
  • прочность к отрицательному напряжению на входе (переполюсовка), отсутствие «защитного» диода на выходе источника;
  • полностью пассивное охлаждение: без вентиляторов — без шума;
  • линейные регуляторы напряжения и тока;
  • высокая разрядность установки и измерения выходных параметров (10мВ/1мА);
  • отсутствие выбросов напряжения на выходе при включении/выключении, «сбросе» нагрузки;
  • два энкодера для быстрой установки выходных параметров;
  • электронное подключение и отключение нагрузки;
  • малые габариты и масса.

 

Технические характеристики источника питания "Тихоня":

Максимальная выходная мощность

150 Вт

Режим постоянного напряжения

Диапазон установки выходного напряжения

10 мВ ÷ 30 В

Дискретность установки выходного напряжения

10 мВ

Погрешность установки выходного напряжения

±(0.2% + 20 мВ)

Пульсации выходного напряжения (режим CV), не более

2 мВ RMS

Режим постоянного тока

Диапазон установки выходного тока

5 мА ÷ 5А

Дискретность установки выходного тока

1 мА

Погрешность установки выходного тока

±(0.4% + 4 мА)

Пульсации выходного тока (режим CС), не более

2 мА RMS

Точность измеряемых величин

Диапазон измерения выходного напряжения

0 ÷ 30 В

Дискретность измерения выходного напряжения

10 мВ

Погрешность измерения выходного напряжения

±(0.2% + 20 мВ)

Диапазон измерения выходного тока

0 ÷ 5 А

Дискретность измерения выходного тока

1 мА

Погрешность измерения выходного тока

±(0.4% + 4 мА)

 

Питание

230 В ± 10%

Габариты, ДхШхВ

210 х 140 х 90 мм

Масса, не более

1.5 кг

 

Продукт имеет сертификат соответствия требованиям Технического регламента Таможенного союза в части электробезопасности и электромагнитной совместимость технических средств. Сертификат доступен по ссылке.

 

Первое, что приходит на ум, когда видишь и берёшь в руки «Тихоню» это «Какой же он маленький и лёгкий!» Действительно, по сравнению с MPS-3003D он кажется игрушечным. Как-никак 1.5 кг против 5.6 у Matrix'а. В голову начинают приходить мысли об импульсных источниках питания. Отчасти это верно, но давайте разберёмся во всём по порядку.


 

Прибор выполнен в корпусе G768 производства Gainta, габаритные размеры которого составляют 190 x 140 x 90 мм (Д х Ш х В). На задней стенке расположен коннектор кабеля питания со встроенным предохранителем, а на передней - индикаторы, органы управления и клеммы выхода. Снизу корпус имеет резиновые ножки, предотвращающие скольжение.

Внутри «Тихоня» состоит из четырёх блоков: резонансный преобразователь, синхронный step-down, линейный стабилизатор и блок управления и индикации. Это условно-функциональное разделение и физических плат только три.

 

Не будучи достаточно грамотным в вопросе устройства и работы прибора, я обратился за разъяснением к разработчикам и получил следующий ответ.

Принцип работы резонансного преобразователя довольно прост. Если абстрагироваться от лишних сущностей, то выглядит он следующим образом.

Диодный мост и конденсатор образуют постоянное напряжение, эта часть традиционна для 99% импульсных источников питания. Контроллер преобразователя управляет полумостом из полевых транзисторов с заполнением 0.5, формируя прямоугольные импульсы. Эти импульсы поступают на резонансный контур (РК), образованный первичной обмоткой трансформатора и резонансным конденсатором. Поскольку частота прямоугольных импульсов близка к точке резонанса РК, ток в первичной обмотке близок к синусоиде.

Как известно, в резонансном контуре напряжение выше прикладываемого, т.е. получается своеобразный коэффициент усиления (в расчетах обозначается М). Данный коэффициент усиления М, в числе прочего, зависит от частоты импульсов - при снижении частоты он увеличивается, при увеличении уменьшается.

Регулировка выходного напряжения осуществляется за счет изменения частоты импульсов, при этом частота работы преобразователя ограничивается так, что переключение транзисторов происходит в районе нуля напряжения (ZVS), что сводит динамические потери практически к нулю, а помех от переключения почти нет. Последнее наиболее важно, т. к. наличие большого радиатора пережить можно, а вот источник помех в ЛБП это очень плохо.

Сердцем «Тихони» является микропроцессор. Именно он формирует ШИМ для step-down, формирует опорные напряжения для линейного стабилизатора, измеряет текущие значения напряжения и тока, и реализует пользовательский интерфейс (обработка энкодеров, индикация и прочее).

Микропроцессор с помощью встроенных ЦАП формирует опорные напряжения для регуляторов напряжения и тока, одновременно с этим с помощью АЦП измеряет напряжение и ток на выходе. Таким образом, МК всегда знает что именно он задал регуляторам и что на самом деле на выходе. На основании этих данных он формирует ШИМ для step-down так, чтобы падение напряжения на линейном регуляторе было в районе 1 В. В итоге, при максимальном токе в 5 А на линейном регуляторе выделяется всего около 5 Вт тепла.

На самом деле алгоритм формирования ШИМ достаточно сложный и при малых токах падение на линейном регуляторе может быть и больше, но это уже тонкости реализации. В целом, потери на линейном регуляторе не более 5 Вт.

На русском языке о принципе работы резонансного преобразователя можно почитать в этой статье.

В нашем приборе используется другой контроллер резонанса, но это не принципиально.

Кстати, одной из причин, по которой я выбрал «Тихоню», как раз и стала та, что разработчик – наш, российский. Общение не составляет никаких проблем, на все мои вопросы мне отвечали быстро и полно, к пожеланиям прислушивались. Лично я готов заплатить пусть немного дороже, но отечественному производителю. Нужно поддерживать и развивать своё. Тем более, что продукция весьма конкурентоспособна.

Но вернёмся к прибору.

Органов управления у прибора немного и все они расположены на передней панели: тумблер включения питания, два энкодера и кнопка включения и отключения выхода (тактовая). Для индикации используются два ряда по четыре семисегментных индикатора (напряжение и ток) и два светодиода для отображения текущего режима работы - «CV» или «CC» (при отключенном выходе не горит ни один из них). На мой взгляд это оптимальное сочетание; информативно, ясно и не перегружено.


 

Управление выходными параметрами простое и в то же время функциональное. Для изменения того или иного параметра просто нажимаем ручку соответствующего энкодера. Изменяемый разряд начнёт мигать. Вращением ручки меняем значение (с переходом через ноль и с увеличением старшего разряда или с уменьшением младшего), а для смены позиции курсора нажимаем ручку ещё раз. Курсор между разрядами перемещается по кругу от младшего к старшему. Выход из режима настройки автоматический по истечении определённого времени (задаётся в диапазоне от 5 до 100 сек. с помощью пользовательских настроек ).

Единственное неудобство вызвано небольшим весом прибора. При нажатии на ручку большим пальцем приходится остальными придерживать корпус сверху, чтобы он не двигался.

А если придираться к мелочам, то мне не хватает яркости индикаторов режима работы «CC» и «CV». Дело в том, что данные индикаторы суть светодиоды, установленные вплотную к прозрачным областям передней панели. Из-за этого они не так хорошо различимы в светлом помещении. Особенно это касается зелёного светодиода режима «CV». Это не было бы особой проблемой, если бы данный индикатор не сигнализировал ещё и о работе выхода.

Установка выходных значений напряжения и тока на «Тихоне» несколько отличается от таковой на MPS-3003D. На Matrix’е нам нужно включить выход, установить желаемое значение напряжения (причём это невозможно сделать при минимальном положении регуляторов установки тока «грубо» и «точно»), затем закоротить выходы и установить ограничение по току. У «Тихони» всё наоборот. Мы сначала устанавливаем желаемые значения напряжения и тока и только потом включаем выход. Впрочем, подстраивать параметры «на лету» можно на обоих приборах. Лично мне вариант «Тихони» нравится больше - уменьшается количество операций и необходимые параметры, в отличие от Matrix’а, отображаются и при отключенном выходе.

Устройство запоминает какой разряд мы изменяли последний раз и при очередном входе в режим установки значения не придётся каждый раз перемещать курсор до нужного места.

Не стоит и говорить о том, что последние установленные значения запоминаются при выключении питания. Но важно отметить, что устройство всегда включается с отключенным выходом, так что нет повода беспокоиться о случайной подаче неверного напряжения на нагрузку

Кстати, «Тихоня» имеет защиту от переполюсовки. То есть это не просто диод на выходе, а полноценное отключение выхода при подаче на него отрицательного напряжения. В видеоролике на сайте производителя этот момент очень хорошо отражён. Смотрите сами:

Кстати, там же есть ролик о токовой защите. Тоже даёт определённое представление о работе прибора, когда нет возможности пощупать его вживую:

Однако давайте перейдём к самому интересному – попробуем измерить выходные параметры прибора.

Наибольший интерес вызывает точность соблюдения установленных значений, особенно под нагрузкой. Исходя из того, что максимальное выходное напряжение «Тихони» составляет 30 В, а ток – 5 А, вычисляем сопротивление нагрузки для максимальной мощности (150 Ватт) - оно равно 6 Ом. Найти такое сопротивление весьма проблематично и я использовал десять сопротивлений по 51 Ом, включенных параллельно. Поскольку их точность составляет 5%, удалось получить общее сопротивление в 5.68 Ома по показаниям мультиметра и 5.684 по закону Ома :-) – в режиме «CC» выходной ток составил 5 А, а напряжение – 28.42 В.

Для измерений будем использовать следующий набор инструментов:

  • осциллограф «ATTEN ADS1102CA» – 100 МГц, 1 Гвыб./сек., подключен к сети через развязывающий  трансформатор;
  • щуп PP510 с самодельной пружиной из медной проволоки, делитель в положении 1х;
  • мультиметр «Victor 86E».

Мультиметр не претендует на звание сверхточного прибора, но в июле 2016 года он был откалиброван по поверенному калибратору Fluke 715:

 

 

Вначале произведём замеры напряжения и тока. В левом столбце у нас будут значения, выставленные на источнике питания, а в правом – измеренные с помощью мультиметра. Необходимо учесть, что мультиметр имеет 22 000 отсчётов и пределы измерения тока в 200 мА и 10А, поэтому разрядность в замерах изменяется при переключении пределов.

Сначала напряжения в режиме «CV» (вольты):

«Тихоня»

«Victor 86E»

0.01

0.0062

0.02

0.0163

0.03

0.0263

0.04

0.0365

0.05

0.0463

0.06

0.0564

0.07

0.0664

0.08

0.0766

0.09

0.0865

0.10

0.0966

0.20

0.1970

0.30

0.2977

0.40

0.3980

0.50

0.4975

0.60

0.5984

0.70

0.6987

0.80

0.7993

0.90

0.8995

1

1.0000

1.5

1.5016

2.0

2.0033

3.0

3.007

5.0

5.003

6.3

6.305

8.2

8.210

10.0

10.007

12.0

12.010

13.4

13.408

15.0

15.011

20.0

20.015

23.0

23.00

25.7

25.70

29.8

29.81

30.0

30.01

 

Теперь ток в режиме «CC» (миллиамперы до значения 200 и далее амперы):

«Тихоня»

«Victor 86E»

0.005

6.060

0.008

8.202

0.01

10.340

0.03

30.30

0.05

51.21

0.08

80.57

0.10

100.51

0.15

150.76

0.20

201.15

0.3

0.302

0.5

0.503

0.8

0.803

1.0

1.002

1.5

1.503

2.0

2.003

2.7

2.704

3.35

3.355

4.002

4.007

5.0

5.007

 

Теперь измерим просадку напряжения в режиме «CC» с максимальным током (5 А). Измерения будем проводить всё тем же мультиметром на выходных клеммах прибора. Первый столбец таблицы содержит установленные значения, второй – отображаемые прибором в режиме «CC», третий – измеренные мультиметром.

Установленное значение

(вольты)

Индикатор «Тихони»

(вольты)

Показания «Victor 86E»

(вольты)

1.5

1.42

1.3888

2.5

2.32

2.286

3.3

3.10

3.069

5

4.86

4.835

9

8.73

8.699

12

11.93

11.905

 

Показатели очень хорошие! И всё время держим в уме, что мультиметр у нас не самый точный измерительный прибор. Кстати, в режиме «CV» при установленном напряжении на выходе 12 В и при действующем токе 4.998 А индикатор «Тихони» показывал 12.00 В, а мультиметр – 12.001 В.

Теперь перейдём к «микроскопу в мире напряжений» – к осциллографу.

Осциллограммы будем снимать непосредственно с выходных клемм источника. Для измерения уровня пульсаций будем использовать закрытый вход осциллографа (режим AC) и включим ВЧ-фильтр для подавления наводок.

 На выходе 30 В, нагрузка не подключена:

 

Выход в режиме «CC», 28.42 В, 5 А:

 

 Как видим, на холостом ходу пульсации практически отсутствуют. И даже в самом тяжёлом режиме с почти максимальной нагрузкой они составляют 16-20 мВ. Впечатляет!

Теперь давайте посмотрим переходные процессы. Установим триггер по нарастающему или спадающему фронту, в зависимости от того, что именно будем измерять. Вход осциллографа – открытый (режим DC). Обращаем внимание на шкалу времени – не всегда удавалось сохранить одинаковый масштаб.

Устанавливаем на выходе 5 В, нагрузки никакой, включаем:

Процесс занял 75 мс.

 

Те же условия, но на выходе 10В:

Разницы почти никакой – 80 мс.

 

Давайте добавим небольшую нагрузку:

Ничего не изменилось, всё те же 80 мс.

 

Что ж, с холостым ходом проблем нет, всплесков не наблюдается и это замечательно.

Перейдём к включениям в режиме ограничения тока («CC»). Поехали!

Устанавливаем на выходе 10 В, а ограничение тока в 100 мА:

 

Поднимем ток до 1А при тех же 10 В:

 

И до максимальных 5-и ампер:

 

Снова наблюдаем полное отсутствие всплесков, как в предыдущей серии замеров. Теперь мы уверены, что за нагрузку переживать не стоит. Выход на режим плавный и составляет порядка 50 – 80 мс.

Давайте посмотрим как поведёт себя «Тихоня» при штатном отключении.

На выходе 10 В, нагрузки нет, отключаем выход кнопкой на передней панели:

Наблюдаем плавную разрядку выходного конденсатора.

 

Теперь то же самое, но с небольшой нагрузкой:

Тут и комментировать нечего.

 

А теперь сымитируем пропадание питания устройства во время работы.

На выходе 10 В, нагрузки нет:

Видимо, сказывается импульсная природа устройства и мы наблюдаем какие-то явления. Но помним, что это нештатное выключение, да и нагрузка отсутствует.

 

А вот то же самое, но с нагрузкой 500 мА:

И в такой ситуации за нагрузку переживать не стоит.

 

Под конец хочу высказать собственное мнение о регулируемом источнике питания «Тихоня» и о самой компании «E-Core».

Я очень доволен приобретением. Небольшие габариты, малый вес, дискретная установка параметров, ток 5 А, пассивное охлаждение. Особо не представляю чем ещё полезным можно оснастить такой прибор. Хотя… Вольтметр! Было бы очень удобно иметь возможность по-быстрому посмотреть напряжение на нагрузке. Например, при зарядке АКБ.

И знаете что? Я поделился своим пожеланием с разработчикам и они со мной согласились! Следующие версии «Тихони» будут обладать подобным функционалом, причём с настраиваемыми параметрами. И это не единственный момент, по которому мы вели переписку и пришли к взаимопониманию. Такие вещи очень радуют, хотя осознаёшь это далеко не сразу.

Плюс ко всему, «E-Core» активно развиваются. В ассортименте их продукции, помимо ЛБП «Тихоня», есть и решения для «самоделкиных» - модуль на 30 В 10 А (подороже) и 30 В 6 А (подешевле) – этакие «мозги», на базе которых можно самому собрать регулируемый источник питания. А ещё готовится двухканальный «Тихоня» с возможностью параллельного и последовательного включения каналов.

«Но это уже совсем другая история…»

 

Москва, апрель 2017 года.



Все вопросы в Форум.


ID: 2504

Как вам эта статья?

 Нравится
 Так себе
 Не нравится

Заработало ли это устройство у вас?

 Заработало сразу
 Заработало после плясок с бубном
 Не заработало совсем

21 10 34
1
Подробно