Carsevolution.ru

КАРС Эволюшн
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Импульсный и аналоговый блок питания своими руками

Импульсный и аналоговый блок питания своими руками

Особенности блока питания

В большинстве устройств, применяются импульсные схемы блоков питания (ИБП) из-за их высоких электроэнергетических показателей и стабильности в работе. Но вместе с тем используются и аналоговые источники питания, обладающие простотой изготовления и высокой надёжностью. Существует огромное количество вариантов изготовления блоков питания своими руками, применяя различные схематические решения.

Общее описание

Особенность блока питания (БП) в том, что он сделан как отдельный внешний узел. Лабораторный БП — это корпус с лицевой панелью, регуляторами-переключателями, вольтметром, амперметром, выходными клеммами и сетевым шнуром. Далее расскажем нашим читателям о том, что необходимо учесть при самостоятельном изготовлении регулируемого блока питания и как получить оптимальный результат при минимальных затратах.

Для начала остановимся на более широком толковании критериев, которые перечислены выше. Начинаем по списку и рассматриваем напряжение необходимой величины и знака. Это самый важный момент, который в целом определяет схему и конструкцию источника питания. Первое, что необходимо учитывать — это соответствие решаемым задачам. Их число всегда ограничено мощностью БП и, как следствие этого, качеством выходного напряжения.

Пульсации выходного напряжения — это нежелательный параметр, который состоит из низкочастотной составляющей, кратной частоте питающего напряжения и дополнительных более высоких частот. Чтобы влиять теми или иными способами на этот параметр в широком спектре частот, потребуется осциллограф. Иначе его сложно будет оценить.

Стабилизация выходного напряжения — важнейшая характеристика блока питания. Она уменьшает до минимальной величины низкочастотные пульсации и улучшает качество работы нагрузки. Поскольку стабилизатор содержит управляемый элемент, появляется возможность управления выходным напряжением.

Максимальные токи определяют потребительские свойства БП. Чем они больше, тем шире область применения БП. Дополнительно можно упомянуть и напряжения. Падение напряжения на управляемом элементе стабилизатора приводит к его нагреву и ограничивает область применения БП. Поэтому нужны поддиапазоны напряжения, которое подается на вход стабилизатора. Переключение между ними позволяет уменьшить нагрев управляемого элемента стабилизатора при необходимом выходном напряжении.

Защита от перегрузки и короткого замыкания предохраняет управляемый элемент от повреждения током недопустимо большой силы.

Что такое линейные блоки питания

Линейные блоки питания-1

Линейные блоки питания могут быть фиксированными, например, как источник питания 5V, который может потребоваться для логической схемы, или несколько фиксированных блоков питания, необходимых для ПК (+5, +12 или -12V). На настольном лабораторном блоке питания вы можете использовать источник переменного тока. В дополнение к одиночным источникам вы также можете получить двойные схемы питания, например, для схем операционного усилителя ±15V, и даже БП двойного контроля, которые синхронизированы по напряжению друг с другом.

Принципиальная схема

Некоторые примеры:

  • +5V логические и микропроцессорные схемы
  • +12V LED освещение, общая электроника
  • Схемы операционного усилителя ±15V
  • Стендовое испытательное питание 0-30V
  • +14,5V зарядное устройство

В этой статье мы рассмотрим отдельные компоненты блока питания, а затем с нуля разработаем небольшой блок питания 12V и регулируемый двойной блок питания 1–30V.

Компоненты линейного блока питания

  • Секция ввода сети содержит компоненты подключения к электросети, обычно выключатель, предохранитель и контрольную лампочку. Используйте хорошее заземление и изолируйте все силовые части внутренней проводки изоляционным материалом для защиты от случайного контакта.
  • Трансформатор выбирают в соответствии с требуемым выходным напряжением и эффективно изолирует все другие цепи от сетевых контактов. Трансформатор может иметь несколько отводов первичной обмотки, чтобы обеспечить различное входное напряжение сети, и несколько отводов вторичной обмотки, соответствующих требуемому выходному напряжению. Кроме того, между отводами первичной и вторичной обмоток имеется экран из медной фольги, который способствует уменьшению емкостной связи с высокочастотным сетевым шумом.
  • Выпрямитель может быть таким же простым, как одинарный диод (не подходит), двухполупериодный мост с центральным ответвлением или двухполупериодный мост. Следует использовать выпрямительные диоды более мощные, чем рассчитывалось. По моему опыту ремонта многих неисправных блоков питания, проблемы обычно возникают из-за выхода из строя диода, которые горят либо из-за слишком большого тока, либо из-за скачков напряжения в сети.
  • Учитывая это, выберите диод с высоким PIV (пиковое обратное напряжение). При установке диодов держите выводы на длинной стороне, так как именно здесь рассеивается большая часть их тепла. В высоковольтных источниках питания часто встречаются небольшие конденсаторы, подключенные параллельно диодам, чтобы помочь им быстрее восстанавливаться.
  • Конденсатор является постоянно работающим компонентом и должен заряжаться до пика вторичного напряжения (Vsec*1,414), а затем быстро отдавать накопленную энергию в нагрузку. Конденсаторы из алюминиевой фольги представляют собой рулон бумаги из алюминия, заполненный маслом. Однако, они имеют свойство со временем высыхать и, как следствие, терять свою емкость. Если возможно, разместите их подальше от источников тепла при компоновке.
  • Танталовые конденсаторы имеют гораздо более низкое последовательное сопротивление (эквивалентное последовательное сопротивление), поэтому лучше справляются с пульсациями. Вы можете использовать их в цепи регулятора. При разводке схемы, старайтесь свести все заземления в одну точку. Регулятор также должен иметь небольшой выходной ток, когда он не находится под нагрузкой; 1кОм будет достаточно.
  • На рисунке ниже зеленая кривая представляет собой то, как форма волны выглядела бы без конденсатора, а красная форма волны — это «заряд» конденсатора на каждом полупериоде, а затем разряд из-за тока нагрузки. Результирующая форма волны — это пульсирующее напряжение.

линейные блоки питания-4

Линейные блоки питания — проектирование

Разработка линейного блока питания похожа на чтение на иврите: вы начинаете с конца и продвигаетесь к началу. Ключевая спецификация — это напряжение на выходе, которое мы хотим иметь, и какую величину тока мы можем получить от него без падения напряжения. В этом проекте давайте нацелимся на 12V при токе 1 А и 3V на регуляторе. У любого регулятора должна быть определенная необходимая разница между входным и выходным напряжениями для правильной работы. Если не указано иное, предположите, что это минимум 3V. Некоторые из используемых здесь регуляторов рассчитаны только на 2V.

линейные блоки питания-5

Если на выходе нам нужно 12V, то на конденсаторе нужно 12 + 3 = 15V. Теперь, когда этот конденсатор заряжается и разряжается, в нем должна присутствовать переменная составляющая, то есть пульсация напряжения. Чем больше ток, потребляемый конденсатором, тем хуже пульсации, и это тоже нужно учитывать. При выборе значения 10%, т.е. 1,2V (размах), ограничение рассчитывается следующим образом:

формула.1

где f равно 50 или 60 в зависимости от частоты вашей сети. Следовательно, нам необходимы:

фрмула.2

Это возвращает нас к диодам. Поскольку диоды подают не только ток нагрузки, но и ток заряда конденсатора, они будут использовать больший ток.

В двухполупериодном мосту ток составляет 1,8*I нагрузки. На центральном отводе, это 1,2*I нагрузки. Учитывая это, мы должны использовать диоды не менее 2 А.

Теперь мы переходим обратно к вторичной обмотке трансформатора и ее удельному напряжению. В любой надежной системе мы должны учитывать допуски. Если мы будем следовать только минимальным требованиям к конструкции, вход регулятора может упасть ниже уровня падения напряжения, что окажет значительное влияние на сеть. В коммерческих проектах обычно указывается ± 10%, поэтому, если у нас напряжение 230 В, это означает, что оно может упасть до 207V.

Таким образом, необходимое напряжение на вторичной обмотке будет следующим:

где 0,92 — КПД трансформатора, а 0,707 — 1/√2.

Vreg — падение напряжения регулятора, Vrect — падение напряжения на 2 диодах, которое составляет 2*0,7 для цепи центрального отвода и 4*0,7 для полного моста. Пульсации напряжения V было указано как 10% от 12V или 1,2V, поэтому:

БП-6

Это означает, что готового трансформатора на 15V должно хватить. Бывает, что вы не можете найти подходящий трансформатор, но есть в наличии другой, с более высоким напряжением. Обратной стороной этого является то, что на стабилизаторе будет более высокое напряжение и, как следствие, большая мощность, рассеиваемая его радиатором.

Последнее, что нужно сейчас указать, — это габаритная мощность трансформатора в ВА. Это простая и распространенная ошибка — думать, что ВА будет Vsec*Iload, т.е. 15*1 = 15VA. Но мы не должны забывать, что трансформатор также заряжает конденсатор, поэтому в зависимости от конфигурации, нагрузка 1,2 или 1,8*I означает большую разницу, то есть 1,8*1*15 = 27 ВА.

На этом конструирование завершается. А как насчет предохранителя? Это целая наука, но для этого простого блока питания я бы оценил его в 2 раза больше первичного входного тока. Таким образом, в данном случае ВА равно 27, а напряжение сети составляет 230V, а I=2*27/230 = 250 мА.

Теперь мы можем добавить в регулятор последние несколько компонентов:

линейные блоки питания-7

Для C1 мы рассчитали его на 4200 мкФ. Но поскольку регулятор удалит большую часть пульсации, она может быть меньше или вдвое меньше той, что составляет 2200 мкФ. Назначение C2 и C3 — обеспечение стабильности и помехоустойчивости регулятора. Конденсаторы C2 10 мкФ и C1 1 мкФ. В идеале эти емкости должны быть танталового типа, но если вы вынуждены использовать алюминий, вам следует удвоить значение.

Шунтирующим диодом D3 часто пренебрегают, но он важен. Если произойдет короткое замыкание на входе регулятора, любая накопленная емкость в нагрузке Vcc, включая C3, разрядится на заднюю часть регулятора и, возможно, спалит его. Но D3 спасает от такой ситуации.

Теперь давайте заменим фиксированный регулятор на регулируемый на основе популярного и простого в использовании LM317 и добавим дополнительную отрицательную версию LM337, чтобы сформировать двойной регулируемый блок питания. Обратите внимание, что мы использовали трансформатор с центральным отводом, а также полный мостовой выпрямитель. Следующие примечания в равной степени относятся к отрицательной половине блока питания. Единственное, что осталось рассчитать — это R6 и R7.

Если вы сделаете R6 = 220, тогда для любого напряжения между Vmax и Vmin, R7 = (176*Vout) — 220. Итак, если вы хотите 9V, R7 будет 176*9 — 220 = 1k4. Вы также можете использовать двойной подстроечный резистор от 5 до 10kОм (линейный) для одновременной регулировки обеих сторон. Трансформатор с вторичной обмоткой 25/0/25 подойдет. C8 и C9 обеспечивают помехоустойчивость и могут составлять 10 мкФ. C10 и C11 — 1 мкФ, а C4 и C7 — 1000 мкФ. Минимальное выходное напряжение составляет около 1,25V.

Требования к прибору

Чтобы создать простой, но одновременно качественный и мощный блок питания с возможностью регулировать напряжение и ток своими руками, необходимо знать, какие требования существуют к такому типу преобразователей.
Эти технические требования выглядят так:

  • регулируемый стабилизированный выход на 3–24 В. При этом нагрузка по току должна составлять минимум 2 А;
  • нерегулируемый выход на 12/24 В. При этом предполагается большая нагрузка по току.

Чтобы выполнить первое требование, следует использовать в работе интегральный стабилизатор. Во втором случае выход необходимо сделать уже после диодного моста, так сказать, в обход стабилизатора.

Блок в конечном виде

Для транзисторов необходимо подобрать подходящий радиатор, который сможет рассеивать тепло. Более того, внутри монтируется вентилятор, для охлаждения диодного моста. Еще один устанавливается на внешнем радиаторе, который будет обдувать транзисторы.

Для внутренней начинки желательно подобрать качественный корпус, так как вещь получилась серьезной. Все элементы следует хорошо зафиксировать. На фото лабораторного блока питания, можно заметить, что на замену стрелочным вольтметрам пришли цифрового устройства.

Самодельный блок питания на MOSFET транзисторе

Самодельный блок питания на MOSFET транзистореВ предыдущей статье мы рассматривали схемы ЗУ с использованием в качестве силового ключа мощные p-n-p или n-p-n транзисторы. Они позволяли получить достаточно большой ток при небольшом количестве радиодеталей, но у используемых биполярных транзисторов имеется существенный недостаток…

— это большое падение напряжения коллектор-эмиттер в режиме насыщения, достигающее 2 … 2,5 В у составных транзисторов, что приводит к их повышенному нагреву и необходимости установки транзисторов на большой радиатор.

Гораздо экономичней вместо биполярных транзисторов устанавливать силовые МОП (MOSFET) транзисторы, которые при тех же токах имеют гораздо меньшее (в 5 -10 раз) падение напряжения на открытом переходе сток-исток. Проще всего вместо силового p-n-p транзистора установить мощный p-канальный полевой транзистор, ограничив с помощью дополнительного стабилитрона напряжение между истоком и затвором на уровне 15В. Параллельно стабилитрону подключается резистор сопротивлением около 1 кОм для быстрой разрядки ёмкости затвор-исток.

Гораздо более распространены и доступней силовые n- канальные МОП транзисторы, но принципиальная схема устройства с такими транзисторами несколько усложняется, т.к. для полного открытия канала сток-исток на затвор необходимо подать напряжение на 15 В выше напряжения силовой части. Ниже рассмотрена схема такого устройства.

Мощный лабораторный блок питания 1,5 -30В, 0-5А на MOSFET транзисторе

Основа конструкции мало отличается от ранее рассмотренных устройств на биполярных силовых транзисторах. С помощью конденсаторов С1-С3 и диодов VD1-VD5 в схеме формируется повышенное на 15 В напряжение, которое с помощью транзисторов VT2, VT3 подаётся на затвор полевого транзистора VT1.

Мощный лабораторный блок питания с MOSFET транзистором на выходе своими руками

В схеме желательно использовать MOSFET с наиболее низким сопротивлением открытого канала, но максимальное допустимое напряжение этих транзисторов должно быть в 1,5 — 2 раза выше напряжения силовой цепи. В качестве диода VD8 желательно использовать диоды с барьером Шоттки с рабочим напряжением выше максимального в силовой цепи, в крайнем случае можно использовать КД213А или КД2997, КД2799, но их придётся установить на небольшой радиатор. Требования к изготовлению накопительного дросселя DR1 такие же как и в зарядных устройствах с биполярными ключевыми транзисторами.

При отсутствии подходящего проволочного резистора, используемого в качестве токового шунта R17 схему можно доработать, используя небольшой отрезок манганинового провода диаметром 2 мм или мощные проволочные резисторы сопротивлением 0,01 …0,05 Ом.

Следующая схема имеет нормализацию напряжения на токовом шунте и усилителя на ОУ.

Лабораторный блок питания с усилителем-нормализатором напряжения шунта

Предлагаемая схема отличается от описанной, выше наличием операционного усилителя DA2, что позволяет можно использовать как любой проволочный резистор сопротивлением 0,01 … 0,05 Ом и мощностью 1 — 2 Вт, так и кусок подходящего нихромового или манганинового провода диаметром 1,5 … 2 мм.

Операционный усилитель усиливает напряжение шунта до уровня, необходимого для нормальной работы компаратора микросхемы DA1. Коэффициент усиления ОУ DA2 определяется соотношением сопротивлений резисторов R15 и R18 и определяется из условия получения на выходе ОУ напряжения 0,5 … 3 В при выбранном максимальном выходном токе устройства.

Выходной ток регулируется переменным резистором R4, максимальное напряжение на движке которого должно быть равно напряжению на выходе ОУ DA2 при максимальном рабочем токе. Сопротивление переменного резистора R4 может быть любым в пределах 1 … 100 К, а максимальное напряжение на его движке определяется сопротивлением резистора R6.

Схема позволяет получить гораздо больший выходной ток, чем выбранный автором — максимальная величина тока определяется мощностью силового трансформатора, элементами силовой цепи и настройкой узла ограничения выходного тока. В качестве DA2 может быть использован практически любой доступный операционный усилитель, например КР140УД1408, КР140УД608, КР140УД708, mA741 и т.д.

Конденсатор частотной коррекции C9 может отсутствовать при использовании ОУ, не требующих его использования. В случае использования ОУ типа КР140УД1408 (LM308) его припаивают между выводами 1 и 8, у других ОУ выводы могут быть иными.

Мощный лабораторный блок питания с MOSFET транзистором на выходе своими руками

Лабораторный блок питания отличается от ранее описанного зарядного устройства гораздо большим максимальным выходным напряжением. Автором выбрано напряжение 30В, но если использовать трансформатор с большим выходным напряжением и применить более высоковольтные силовые элементы, можно получить гораздо более высокие значения.

Регулировка выходного напряжения осуществляется переменным резистором R16, сопротивление которого может быть в пределах 3,3 … 100кОм. Верхний предел выходного напряжения определяется сопротивлением резистора R17 из расчёта получения напряжения 1,5 В на движке переменного резистора R16 в его нижнем, по схеме, положении.

Схему можно упростить, исключив регуляторы тока и напряжения, а также измерительную головку, если устройство будет использоваться только для зарядки одного типа аккумуляторов. Вместо переменного резистора — регулятора выходного напряжения на печатной плате установлен многооборотный подстроечный резистор R15, а ограничение выходного тока задаётся делителем на резисторах R4, R5.

Для исключения выхода из строя диода VD11 при случайной переполюсовке аккумулятора установлен предохранитель FU2. В качестве транзисторов VT2, VT3 можно использовать любые маломощные транзисторы соответствующей структуры на напряжение 60В и ток коллектора 100мА, например КТ209Е, КТ3102Б и т.д.

Мощный лабораторный блок питания с MOSFET транзистором на выходе своими руками

В авторском варианте схема настраивалась на выходной ток 3,0 А, но его легко повысить до 6А и более, уменьшив номинал резистора R13 до 5,0 кОм.

Внешний вид платы и расположение элементов:

Мощный лабораторный блок питания с MOSFET транзистором на выходе своими руками

Мощный лабораторный блок питания с MOSFET транзистором на выходе своими руками

Предложенная схема лабораторного блока питания можно дополнить узлом защиты нагрузки от неконтролируемого повышения выходного напряжения, например, при пробое выходного транзистора или неисправности в схеме. Смотрите следующую схему:

ЛАБОРАТОРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ С ЗАЩИТОЙ

Предлагаемый лабораторный блок питания отличается от схемы, выше наличием узла защиты нагрузки от повышенного напряжения. При включении блока питания напряжение на его выходе отсутствует, что исключает случайный выход из строя подключенной нагрузки из-за начального несоответствия установленного напряжения и требуемого. Узел ручного включения / отключения нагрузки собран на транзисторах VT5, VT7 и реле K1.

Узел работает следующим образом: в исходном состоянии транзисторы VT5, VT7 заперты и реле К1 обесточено. При кратковременном нажатии на кнопку SB1 высокий потенциал на коллекторе VT7 через резистор R30 и конденсатор С11 открывает VT7 — реле К1 срабатывает, а протекающий через резистор R33 ток катушки реле открывает транзистор VT5, который через резистор R26 удерживает транзистор VT7 в открытом состоянии длительное время. На лицевой панели блока питания зажигается светодиод HL3 «НАГРУЗКА», а контакты реле К1 коммутируют выходное напряжение на выходные клеммы.

В этом состоянии на коллекторе транзистора VT7 низкий потенциал, а на коллекторе VT5 высокий. Конденсатор C10 через резистор R19 заряжается до напряжения 35В, плюсом к нижней, по схеме, обкладке и минусом к базе транзистора VT7. При повторном нажатии кнопки SB1 через резистор R30 и конденсатор С10 к базе VT7 прикладывается отрицательное напряжение — транзистор запирается, отключается реле К1, снимая напряжение с нагрузки, запирается транзистор VT5 и схема приходит в исходное состояние до следующего нажатия кнопки SB1.

Защита от нештатного повышения выходного напряжения работает следующим образом: при нормальном режиме работы напряжение на движке переменного резистора R20 всегда будет равно 1,5 В, независимо от его положения, так как схема управления на микросхеме DA1 сравнивает его с опорным на выводе 15, которое определяется параметрами делителя напряжения на резисторах R13 и R8. При неисправности в схеме это напряжение может превысить уровень 1,5 В, транзистор VT4 через резисторный делитель R15, R16 откроется, а транзистор VT7 закроется, отключив выходное реле К1. При длительной аварийной ситуации будет гореть светодиод HL2 «АВАРИЯ», а реле К1 кнопкой SB1 включаться не будет.

Защита также сработает при быстром вращении оси переменного резистора R20 в сторону уменьшения выходного напряжения, что позволяет быстро отключить нагрузку, если случайно было установлено его недопустимо высокое значение.

Мощный лабораторный блок питания с MOSFET транзистором на выходе своими руками

Схема также защищает элементы устройства от протекания большого тока при переполюсовке заряжаемого аккумулятора. Если аккумулятор ошибочно подключен минусовым выводом к плюсовой клемме блока питания, то через диод VD15 и резистор R31 откроется транзистор VT6, загорится светодиод HL2 «АВАРИЯ», а реле К1 не будет включаться кнопкой SB1, что предотвращает выход из строя контактов реле К1, конденсатора С9, катушки дросселя DR1 и диода DV10.

Очень важно вначале подключить заряжаемый аккумулятор, а затем нажать кнопку «ПУСК» для начала зарядки, в противном случае, при переполюсовке аккумулятора, перегорит предохранитель FU2.

Перед нажатием кнопки «ПУСК» движком переменного резистора R20 следует установить выходное напряжение блока питания равным его значению при полностью заряженном аккумуляторе, например, для свинцового 12В аккумулятора следует установить 14,8В. Если напряжение на выходе блока питания установить ниже, чем напряжение заряжаемого аккумулятора, то, сразу после пуска, реле К1 обесточится, отключив нагрузку, а светодиод HL2 «АВАРИЯ» кратковременно загорится.

Настройка схемы управления описана на предыдущей странице, а конструктивное исполнение накопительного дросселя приведено в предыдущих публикациях раздела зарядных устройств. Транзистор VT1 и диоды VD7, VD10 следует установить на небольшие радиаторы, площадь которых зависит от выбранного максимального рабочего тока.

Параметры силового трансформатора полностью определяются максимальными значениями выходного тока и напряжения — его мощность должна быть не менее, чем на 20% выше максимальной выходной мощности блока питания на нагрузке.

Мощный лабораторный блок питания с MOSFET транзистором на выходе своими руками

Почти все элементы схемы размещены на печатной плате, внешний вид которой изображен на рисунке. Отдельно установлен силовой трансформатор, измерительный прибор, выключатель питания, регуляторы тока и напряжения, кнопка пуска, предохранители, выходные клеммы и светодиодные индикаторы. На плате предусмотрена установка различных типов диодов в качестве VD10, даже двойных.

Мощный лабораторный блок питания с MOSFET транзистором на выходе своими руками

Все предложенные схемы можно использовать также и в качестве зарядных устройств.

Отечественные источники питания

Среди признанных народных блоков питания из наследия советского союза можно отметить аналоговый Б5-71/3м. Также мне приходилось использовать цифровые Б5-71мм и Б5-71/1мс по цене около 500 $. Все они находятся в Госреестре средств измерений РФ. У каждого из них есть свои недостатки.

Топ 5 лучших лабораторных блоков питания

Например у Б5-71/3м со временем выходит из строя регулировочный двухосевой потенциометр, который найти можно, но сложно.

Топ 5 лучших лабораторных блоков питания

Импульсные источники питания Б5-71/1мс и Б5-71мм отличаются тем, что от перепадов напряжения питания 220 В могут выставить другое напряжение на выходе, например 50 В. Поэтому для ответственных работ я их не использую.

Применение старых источников питания Made in USSR и самоделок оставляю в стороне. Только помните о технике безопасности при работе с ними.

Возможно, со временем этот рейтинг блоков питания будет добавляться Hi-End источниками от Agilent, Rohde&Schwarz, а также нашими Актаком и китайскими Rigol, Atten, Uni-T, Siglent и т. д.

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Регулировка зазор клапанов двигателя волга 402
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector