Мощный лабораторный блок питания (1…15 В, 0…5А)

Автор: SSMix
Опубликовано 17.09.2013
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2013!"

            История создания этого мощного блока питания вкраце такова. В своё время автору доводилось заниматься ремонтом телевизоров, причём частенько попадались модели с так называемым “горячим” шасси (DAEWOO, SANYO). В таких телевизорах блок питания был выполнен по упрощённой схеме с отсутствием гальванической развязки от электросети. Пользователя телевизора от поражения электрическим током защищал пластмассовый корпус, оптически изолированный видеовход и подключенное к тюнеру антенное гнездо через разделительные конденсаторы малой ёмкости. Ремонтнику же оставалось либо проявлять чудеса осторожности при каких-либо замерах при включенном аппарате, либо использовать развязывающий трансформатор. В качестве такового был взят ТС-180 со старого лампового телевизора. Соединив последовательно вторичные обмотки, было получено требуемое гальванически развязанное напряжение ~220В с нагрузочной способностью 0,45А (около 100 Вт), что вполне достаточно для работы самых распространённых в то время кинескопных телевизоров с диагональю до 21’’. Две мощные накальные обмотки (6,4В / 4,7А) было решено использовать для получения регулируемого постоянного напряжения, т.е. использовать устройство ещё и в качестве мощного лабораторного блока питания и автомобильного зарядного устройства (чего зря добру пропадать). На обмотки 9-10 и 9’-10’ было домотано соответственно 11 и 10 витков провода диаметром, аналогичным штатной намотке. В итоге получилось суммарное напряжение около ~19,7В при токе нагрузки 4,7А (92,6 Вт).

            Обычный линейный стабилизатор напряжения приделывать не хотелось из-за низкого КПД и выделения огромного количества тепла при больших токах. Импульсный же стабилизатор давал бы значительные помехи. Поэтому был применён компромиссный вариант в виде последовательно соединённых импульсного понижающего преобразователя и линейного стабилизатора. Причём при регулировке выходного напряжения (Uвых) на входе линейного стабилизатора автоматически устанавливается напряжение Uвх=Uвых+(1,5…2В) для минимизации рассеиваемой мощности. Разработанная схема приведена ниже.

Схема электрическая

            Блок питания обеспечивает помимо гальванически развязанного переменного напряжения ~220В / 0,45А регулируемое постоянное напряжение (1…15)В с режимом ограничения тока в пределах (0,05…5)А.

            Большая часть элементов установлена на двух печатных платах из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Первая плата выделена на схеме пунктиром, а элементы на ней имеет нумерацию 2хх. Здесь расположен помехоподавляющий фильтр C201, Др1, C202 по выходу ~220В, а также низковольтный мощный мостовой выпрямитель VD201…VD204 с фильтрующими электролитическими конденсаторами C203…C205 и предохранителями.

            Элементы, монтируемые навесным монтажом на корпусе устройства, имеют нумерацию 1хх. Остальные элементы с нумерацией 3хх расположены на второй печатной плате. Это собственно импульсный понижающий преобразователь и линейный стабилизатор напряжения / тока.

            Линейный стабилизатор напряжения выполнен на мощном полевом транзисторе VT311 КП723В и регулируемом источнике опорного напряжения DA304 AP432 (Umin=1,2В). Поскольку VT311 включен как истоковый повторитель, на его затвор необходимо подавать напряжение, превышающее Uистока на напряжение Uзи отсечки. Такое напряжение формируется при помощи выпрямителя VD301, C301 и стабилизатора +22 В на DA301 78L12 со стабилитроном VD309. Для повышения коэффициента стабилизации источник опорного напряжения DA304 питается стабилизированным током около 5 мА через VT309. Регулировка выходного напряжения осуществляется при помощи потенциометра R103, который совместно с резисторами R325, R326 образует делитель выходного напряжения, подаваемого на управляющий вход DA304. Ограничение выходного тока осуществляется шунтированием напряжения затвора VT311 при помощи транзистора VT310. Датчиком тока нагрузки служит шунт R317, с которого падение напряжения, усиленное ОУ DA303, поступает на VT310 и VT304 с индикатором ограничения тока HL102. Для регулировки величины ограничения тока служит потенциометр R102, задающий порог срабатывания ОУ. Стабилизатор тока (1 мА) на VT308 позволяет поддерживать неизменным этот порог при изменении выходного напряжения импульсного понижающего преобразователя.

            ШИМ-генератор импульсного преобразователя (50 кГц) выполнен на DD301, VT302, VT303. Выходной ШИМ-сигнал размахом около 12 В через буфер VT305, VT306 подаётся на затвор ключевого транзистора VT307 IRF9Z34. Поскольку p-MOP транзистор открыт при отрицательном напряжении на затворе относительно истока, питание генератора “притянуто” к положительной шине, т.е. к истоку VT307 при помощи стабилизатора DA302 79L12. В результате на выходе буфера имются импульсы управления для Uз-и размахом -12В. На транзисторе VT301 и резистивном делителе R313…R315 выполнен датчик падения напряжения на выходном транзисторе линейного стабилизатора VT311. При повышении падения напряжения свыше 1,5…2 В (устанавливается R314) открываются VT301, VT302, VT303, изменяя скважность выходного сигнала ШИМ-генератора таким образом, что выходное напряжение импульсного понижающего преобразователя уменьшается. Элементы L302, VD305, C310, C311 – стандартный набор для выхода чопперного преобразователя. L301, C303, C304 – входной помехоподавляющий фильтр для устранения импульсных помех подключенному телевизору.

            Внешний вид собранного устройства:

Вид спереди

  Вид сбоку

  Вид сзади

  Вид сверху

            Дроссели L301, L302 выполнены на броневых ферритовых сердечниках с наружным диаметром 29,5 мм и высотой половинки 9,5 мм. Площадь сечения сердечника 0,8371мм². Две встречно намотанные обмотки L301 содержат по 7,5 витков проводом диаметром 1,3 мм. Обмотка L302 выполнена пятью сложенными вместе проводами d=0,5мм и содержит 16 витков. Зазор между половинками сердечников обоих дросселей равен 0,5 мм. В качестве L302 Можно использовать готовый мощный дроссель индуктивностью 40…60 мкГн, рассчитанный на ток не менее 7,5 А. Если нет необходимости в гальванически развязанном выходе ~220В, L1 можно не устнавливать.

            Шунт R317 сопротивлением 0,01 Ом - самодельный из отрезка манганиновой проволоки.

Шунт 

            В настоящее время в продаже есть импортные резисторы сопротивлением в доли Ома, так что шунт можно запросто составить из нескольких таких резисторов.

            Элементы VT307, VD305, VT311 установлены на общий радиатор через изоляционные теплопроводящие прокладки.

            Проведенный тепловой расчёт элементов схемы VT307, VD305, VT311 показал, что в самом неблагоприятном случае суммарная рассеиваемая на них мощность не превысит 13 Вт. Рассчитанная минимальная площадь поверхности алюминиевого радиатора составила 305 см². У приобретённого на радиорынке подходящего по размерам радиатора высчитанная по габаритным размерам площадь составила 627 см², чего оказалось вполне достаточно для надёжной работы. Нагрев радиатора при максимальном токе нагрузки вполне приемлемый.

Плата в сборе с радиатором

            Для индикации напряжения и тока применены промышленные стрелочные головки М42303 на 15 В и 5 А соответственно, установленные на переднюю панель корпуса. Их, конечно же, можно заменить на цифровые индикаторы, которые в настоящее время имеются готовые в продаже.

            Сам корпус изготовлен из 10 мм деревоплиты (низ и боковинки) и 2 мм пластика (фронт, верх тыл), обклеенных декоративной плёнкой. Надписи на передней панели выполнялись вручную переводным шрифтом и через трафарет (ну не было ещё в то время у каждого дома компьютера с принтером), после чего покрывались термоклеющейся (через утюг) прозрачной пленкой.

            При первом включении собранного устройства необходимо в первую очередь проверить напряжение на истоке VT307  (+18...28В), на выходе DA301 (+22В) и между выв. 14-7 DD301 (+12В). На затворе VT307 должны быть управляющие прямоугольные импульсы частотой около 50 кГц. На выходе блока питания должно присутствовать постоянного регулируемое напряжение.

            Настройка устройства сводится к трём регулировкам. При помощи R326 устанавливается максимальное выходное напряжение +15В. При помощи R314 выставляется падение напряжения на выводах С-И VT311 в пределах 1,5...2 В. После этого следует потенциометром R103 уменьшить выходное напряжение до минимума, переместить движок потенциометра ограничения тока R102 в верхнее по схеме положение, и нагрузить выход (X103, X104) на мощный резистор 1..2 Ом. При переходе блока питания в режим ограничения тока засветится светодиод HL102. Плавно повышая выходное напряжение (R103) и ток (R102) подстроечным резистором R321 необходимо выставить максимальную величину ограничения тока нагрузки 5 А.

            Данная схема не боится коротких замыканий на выходе. Ограничение тока регулируется в пределах 0,05 А ....5 А. Так что данный блок питания вот уже много лет с успехом используется и для зарядки автомобильного аккумулятора. Надёжность устройства получилась довольно высокой. За всё время эксплуатации не было ни одной поломки.

Файлы:
Схема, платы
Datasheet

Все вопросы в Форум.