Лабораторный блок питания 0-30В, 0-2А

В данной статье представлен проект моего лабораторного блока питания 30В/2А. Схема может выглядеть сложной, но это не так.

Трансформатор Tr1 преобразует напряжение 220V в 30V, которое выпрямляется диодным мостом G2 и сглаживается конденсатором C5. Транзисторы Т3 и Т6 образуют транзистор Дарлингтона. Напряжение на его базе контролируется не простым потенциометром, а "электронным потенциометром" с обратной связью. Его преимущество  состоит в том что выходное напряжение независимо от нагрузки.

Обратная связь

Представьте, что вы подключаете устройство которое включает и выключает лампу и требует 4,75 ... 5,25V питания. Когда лампа не горит, он потребляет только 5 мА. Когда лампа горит, ток возрастает до, допустим, 1А. Вы подключает устройство к источнику питания, провода которого имеют сопротивление 1Ω и настраиваете напряжение на выходе на 5V. Лампа включается. Падение напряжения на проводах теперь будет 1В, и до устройства дойдет только 4V. Этого недостаточно и устройство выключается, выключая лампы. Устройство снова получает 5В  и включает лампу. Напряжение питания падает до 4В и всё начинается сначала.

Средством от этого является использование толстого провода или обратной связи. Первый вариант подходит когда устройство подключается надолго и провода короткие. Но мы делаем лабораторный блок питания поэтому будем использовать второй вариант. Вы наверное уже заметили R14. Это 0.5Ω тока ограничительный резистор, который будет обсуждаться позже. Он дает нам падение напряжения в 0.5В в любом случае.

В схеме выше есть обратная связь между FB+ и FBGND. R19 и R16 являются делителем напряжения на 2. R13 ограничивает ток и передает его  на не инвертирующий вывод ОУ U2. Инвертирующий вывод ОУ U2 подключен к потенциометру P2 через резистор R17. U3 это интегральный 15В стабилизатор напряжения. Для большей стабильности он подключен к  отдельной обмотке трансформатора (или отдельному трансформатору), отдельному диодному мосту G1 и сглаживающему конденсатору C3.

Vp = 0.5 ∙ VOUT, Vn = 0 ... 15В. Если Vp> Vn, на выходе U2 15В. При этом T5 закрыт и на базе транзисторов T3/T6 будет 0В. При этом роль нагрузки на выходе будет выполнять С2 до Vp Vn. В этот момент все начинается снова. Опять мы видим, что ОУ U2 пытается сохранить Vp равно Vn. U2 используется как усилитель: она усиливает напряжение с Р2 в 2 раза (потому что R19 и R16 это делитель на 2). С Vn от 0 до 15В, VOUT будет от 0 до 30В.

Когда T5 закрывается, на С2 может быть до 30В. Так как напряжение базы T3 0В, -30В будет между базой Т3 и эмиттером Т6. Тем не менее, T6 может не выдержать напряжения менее -7В. R5 и R20 это делитель напряжения -30В для сохранности Т6.

Ограничитель тока

Когда выходной ток увеличивается, напряжение на R14 также будет увеличиваться. Это напряжение усиливается ОУ U1. Коэффициентом усиления можно управлять с помощью потенциометра P1. Когда выходное напряжение U1 превышает 0.6В Т2 открывается. Через него ток течет в T1, который также открывается. Когда ток с R3 попадает на T5, напряжение на выходе снизится до 0, и останется таким до того как переключатель SW1 замкнут.

ВНИМАНИЕ: Уберите нагрузку до замыкания SW1. Защита от перегрузки не работает пока SW1 закрыта!

Вы можете удивиться, почему напряжение с R14 сначала делится на R9 и R10, а затем усиливается U1. В худшем случае, OUT замкнут GND. Это означает, что через R14 будет течь полное выходное напряжение (до 30В), что сожжет ОУ U1.

Защита

При выключении питания, на C3 и C5 может на некоторое время остаться заряд. С C5 гораздо больше С3 и вероятно, что C3 будет разряжен в то время, как C5 прежнему заряжен. Если C3 пуст, U2 перестает функционировать, T5 будет открыт и напряжение с С5 будет на выходе! Защитная схема на Т4 предотвратит это. В то время, как есть напряжение на Т4 все работает как надо. Когда U2 перестает получать напряжение, Т4 открывается. В этом случае, T5 закрывается и ток перестает идти на R18 и D5. При этом выходное напряжение остается 0В.

Радиокомпоненты

При построении этого блока питания, вы можете столкнуться с некоторыми трудностями при покупке компонентов.

Трансформатор Tr1 - это 30V трансформатор с дополнительной обмоткой 20В. Если вы не можете найти трансформатор с двумя обмотками вы можете использовать 2 трансформатора.
Максимальное напряжение на С5 будет 30V ∙ √2 - 1.4 = 41V. Поэтому я выбрал для С2 конденсатор с максимальным напряжением 80В, максимальным пиковым током 5000мА и максимальным постоянным током 3300мА.

Максимальная рассеиваемая мощность в R4 412/3k3 = 0.51W. Как правило, в таком случае берётся следующее по ряду значение, в данном случае 1 Вт. Но напряжение на R4 не будет постоянно 41V, а только в течение коротких периодов времени, поэтому можно использовать 0,5 Вт резистор.
T6 - это мощный транзистор. Его минимальный коэффициент усиления по току составляет 20, поэтому максимальный ток в Т3 2A/20 = 0.10A. Максимальная рассеиваемая мощность 41V ∙ 0.10A = 4.1W. Согласно справочнику, максимальная рассеиваемая мощность без радиатора 2 Вт, так что это транзистор нуждается в радиаторе. Не используйте TIP41, так как его VCE = 40В. Используйте TIP41A/B/C.

T1 может быть любым PNP транзистором. T2 может быть любым транзистором NPN. T4 и T5 могут быть любыми транзисторами с VCE  > 45В.
Максимальная рассеиваемая мощность R14 составляет 32 ∙ 0,5 = 4,5 Вт. Следующий доступный значение 5W.

ОУ U1 и U2 я использовал CA3140. Не используйте более дешевый LM741, они не подходят.

Если вы хотите получить напряжение на выходе больше или меньше 30 В, необходимо изменить не только трансформатор. Кроме того, необходимы рассчитанные на большее напряжение С2, С5, T4 и T5. Также необходимо пересчитать делители R19/R16 и R9/R10.

Сборка

Вы можете скачать печатную плату в нескольких форматах JPEG, EPS и HPGL ниже.

Компоненты, не включённые в печатную плату: трансформатор Tr1, диодная сборка G2, конденсаторы С5, С2 и диод D1. Они установлены в корпусе. Плюс конденсатора C5 подключается к контакту VSIN на плате, и его минус подключен к контакту VSGND на плате. С2 и D1 подключены непосредственно к выходным клеммам.

20В обмотка трансформатора подключена к контактам AC20A и AC20B на печатной плате.
Транзистор Т6, потенциометры P1 и P2, переключатель SW1 и светодиод D3 указаны на печатной плате, но не установлены на ней. Транзистор Т6 присоединён к радиатору и проводами подключен к плате. Остальные элементы выведены на переднюю панель и подключены к плате проводами. Выводы GND и OUT являются выходными клеммами. FB + и FBGND это контакты обратной связи. Я вывел их рядом с OUT и GND.

Рекомендуется использовать гнезда для U1 и U2 для их быстрой замены в случае поломки.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Оригинал статьи

Теги:

• Блок питания
• Перевод