Лабораторный источник питания с тиристорным предрегулятором

Автор: zverotechnik
Опубликовано 24.09.2019
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2019!"

Всем известно, что сделать блок питания - легко. А вот сделать хороший блок питания - не очень.

Линейные источники питания сильно нагреваются, рассеивая огромную мощность на регулирующих элементах. Отводы от обмотки трансформатора плюс реле, у которых со временем подгорает от условий работы... Не просто найти подходящий трансформатор... Громоздкие схемы измерения и управления этими реле... А если ИП двухполярный?

Импульсный ИП - это выход, но довольно сложно собрать самому схему, которая будет выдавать напряжение вплоть от нуля, со стабилизацией тока, при этом преобразуя сетевое напряжение 220 вольт.

Существует интересный вариант со схемой Трансформатор - Импульсный предрегулятор - Линейный стабилизатор со своими достоинствами и недостатками, но на котором хотелось бы остановиться.

Мне попал в руки модуль питания от аппаратуры BEAG, из которого я сразу решил сделать двухполярный блок питания по вышеописанному принципу.

Начнем со схемы линейного стабилизатора - это LM317 с PNP транзистором (выход снимается с коллектора, без просадки напряжения на резисторе).

Отрицательное смещение задается микросхемой 431.

Также можно видеть, что вместо традиционного потенциометра в регулирующей цепи 317 стоит еще один "управляемый стабилитрон" на 431. Он там нужен для того, чтобы можно было поставить любой потенциометр с любым сопротивлением. Помимо этого, изменяется характеристика регулировки напряжения, она становится более удобной, похожей на экспоненциальную - удобно выставлять маленькие напряжения до 1 В.

Защита устроена крайне примитивно - датчик тока 0,01 Ом, с которого сигнал идет на переходы кремниевого и германиевого транзисторов, напряжения открывания которых 0,6 и 0,2 вольт соответственно.

В цепи коллектора кремниевого транзистора - симисторная оптопара, при токе 6 А она открывается и блокирует выход, закорачивая 431. Триггерная защита, сбрасывается кнопкой.

В цепи коллектора германиевого транзистора - обычная оптопара, при токе 2 А она открывается и ограничивает ток на уровне 2 А. Она отключаемая.

При нажатой кнопке выходное напряжение практически равно нулю, поэтому она используется и для коммутации нагрузки.

Итак, теперь самое интересное - нам нужно, чтобы на входе линейного регулятора напряжение было на 3 вольта больше, чем на выходе, чтобы минимизировать нагрев. В этом нам поможет т.н. предрегулятор.

https://electronics.stackexchange.com/questions/183316/setting-a-step-down-regulator-to-provide-constant-drop-on-the-following-linear-r

Это распространенная схема, которая существует во множестве вариантов, также вместо составного транзистора частенько используется и полевой. Компаратор сравнивает напряжение на входе и выходе, открывает и закрывает транзистор в ключевом режиме, таким образом разность на входе и выходе не составляет больше 3,7 вольт (задается стабилитронами).

Следующим этапом эволюции стал управляемый ШИМ. Много теории есть в описании к отечественной разработке.

http://www.radioradar.net/radiofan/power_supply/pclab.html

Я остановился на следующем варианте. Был интерес использовать именно симисторы.

Экономичный блок питания
Автор Кудинов Г., Савчук Г. Год 1986 Номер 05

Данный вариант, на мой взгляд, куда грамотнее и изящнее. Вкратце принцип работы таков - на транзисторе кт117 выполнен генератор, синхронизированный с сетевой частотой 50 Гц. В начале полупериода генератор запускается и выдает импульс через некоторый промежуток времени. Данный промежуток зависит от разности входа и выхода линейного стабилизатора. Чем она больше, тем больше и данный промежуток. Чем больше разность, тем позже откроется тиристор, тем меньшая амплитуда окажется на входе стабилизатора. Если входное напряжение мало, тиристор открывается раньше. Более подробно написано в журнале.

Я переделал эту схему, используя таймер 555.

Принцип тот же, но вместо транзистора - таймер 555.

Ниже по графикам станет яснее принцип работы. В точке А синхроимпульсы 50 Гц. В точке С заряжается конденсатор. Чем больше открыта оптопара (читай - разность напряжений), тем медленнее он заряжается. Симистор открывается по спаду сигнала в точке D.

Дроссель необходим для того, чтобы сгладить импульс тока в момент открывания симистора. Дроссели намотал пока временные на кольцах невыясненного происхождения, индуктивность 0,28mH проводом МГТФ 1мм, возможно придется подбирать другой сердечник.

Осциллограмма после диодного моста, без дросселя. 5в/дел

С дросселем

На конденсаторе фильтра, 5в/дел.

Пульсации на выходе, 5 вольт 4 А , 0,05В/дел

Пульсации на выходе, 5 В 2 А 0,05 В/дел

Несколько фото получившейся конструкции.

Панель сделана из разделочной доски цвета белый мрамор. Амперметры с напечатанной шкалой. Вольтметры китайские.

Вместо кнопок применены выключатели в виде замочков с ключами - это те самые кнопки, которые закорачивают управляющий вход LM317. Если надо включить питание, поворачивается ключ. Ими же и сбрасывается защита.

Отдельных переключателей на выход нет - для них нет места, к тому же лишнее падение напряжения на подгоревших контактах нам ни к чему.

Два тумблера коммутируют защиту на 2 А, напряжение регулируется двумя проволочными потенциометрами на 10 кОм (сбоку справа).

Слева размещены предрегуляторы, дроссели и диодные мосты.

Применение предрегулятора дало результат, были проведены измерения температур радиатора и трансформатора при следующих условиях: Выходное напряжение 5 вольт, ток 2 А в течении 30 мин. Начальная температура трансформатора 40°.

Без предрегулятора Температура радиатора 64°, трансформатора 48°.

С предрегулятором - соответственно, 47° и 50°.

Еще одно измерение проведено при напряжении 5 вольт, ток 3,5 А, время 20 мин. Начальная температура трансформатора 43°.

Без предрегулятора температура радиатора 79°, трансформатора 58°.

С предрегулятором - соответственно, 60° и 62°.

Соответственно, вывод таков - нагрев радиатора существенно меньше, нагрев трансформатора незначительно больше.

Учитываем то, что трансформатор может выдать всего 17 вольт. А если бы он выдавал 30? На радиаторе можно было бы кулинарить вовсю. В то время как для предрегулятора ничего бы существенно не изменилось - падение на транзисторе осталось бы тем же.

Все вопросы в Форум.