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:

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":

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):

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

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.

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. Со всеми разработками можно ознакомиться на официальном сайте www.e-core.ru.

«Но это уже совсем другая история…»

Москва, апрель 2017 года.

Все вопросы в Форум.