Источник питания 5 Вольт, 21 Ампер

Почти любая электронная схема – от простых схем на транзисторах и операционных усилителях и до сложнейших микроконтроллерных систем – требует для работы источника стабилизированного питания. Легко построить такой источник, используя отрицательную обратную связь и сравнивая выходное постоянное напряжение с некоторым постоянным опорным напряжением. Лабораторный стенд питания, отдающий в нагрузку ток до 21 ампера, надежно работает при организации питания различных экспериментальных схем. Стабильность выходного напряжения и большой выходной ток делают удобным и надежным источник питания мощностью 110 ватт.

Традиционные источники питания с низкочастотным трансформатором, выпрямителем и стабилизатором с непрерывным способом стабилизации просты, надежны, почти не создают электромагнитных помех. Сравнение с импульсными источниками питания, обладающими повышенной сложностью, трудностями, связанными с оптимизацией их энергетических и качественных показателей, сравнительная дороговизна высоковольтных переключающих транзисторов, часто выходящих из строя из-за неправильного проектирования и монтажа источника питания позволяет отдать предпочтение традиционным источникам питания при сжатых сроках изготовления и ограниченном бюджете.

Параметры источника питания:
Напряжение питания…………...переменное 220 вольт ± 12%
Выходное напряжение…………постоянное +5 вольт ± 5%
Максимальный выходной ток…21 ампер
Уровень пульсаций…………….30 милливольт

Стабилизатор  напряжения

Стабилизатор предназначен для дальнейшего подавления пульсаций, содержащихся в постоянном напряжении, поступающем от выпрямителя через конденсаторный фильтр. Стабилизатор сглаживает пульсации, оставшиеся в постоянном напряжении после конденсаторного фильтра и снижает зависимость выходного напряжения источника питания от колебаний напряжения сети 220 Вольт, 50 Герц.

Стабилизатор представляет собой схему с последовательно-параллельной обратной связью. Снижение выходного напряжения, вызванное повышением тока нагрузки и изменения напряжения вызванными другими причинами, компенсируются благодаря сравнению усилителем разности опорного напряжения и выходного. Если выходное напряжение становится больше опорного, то напряжение на выходе усилителя разности уменьшится, тем самым, обеспечивая снижение выходного напряжения.

Нестабилизированное напряжение около 15 вольт питает источник опорного напряжения, состоящий из диодного ограничителя тока VD1, стабилитрона VD2 и резисторов R3, RP1, R11. Усилитель разности, состоящий из транзисторов VT4, VT5 и резисторов R1, R2 и R12 питается от входного нестабилизированного напряжения. Выходом источника опорного напряжения является подвижный контакт переменного резистора RP1, соединенный с входом усилителя разности, которым является база транзистора VT4. Вторым входом усилителя разности является база транзистора VT5, соединенная с выходом стабилизатора напряжения. Выход усилителя разности – коллектор транзистора VT5.

Основные компоненты регулирующего элемента – транзисторы VT2 и VT3, управляемые транзистором VT1. База VT1 соединена с выходом усилителя разности. При изменении напряжения на коллекторе VT5 изменяется напряжение на выходе источника питания. Через резистор R2 протекает ток базы, необходимый для работы составного транзистора – VT1 и VT2, VT3. Разность напряжений между опорным напряжением и выходным источника питания помноженная на коэффициент усиления усилителя разности алгебраически складывается с напряжением на базе транзистора VT1, создаваемым током через резистор R2.

Регулирующий элемент – составной транзистор VT1 и VT2, VT3, в котором VT1 предназначен для уменьшения управляющего тока регулирующего элемента. Транзистор средней мощности VT1 управляет током, поступающим на базы параллельно включенных мощных транзисторов VT2 и VT3. Транзисторы VT2 и VT3 – проходные. При малом выходном токе коллекторный ток транзистора VT1 имеет малое значение, так как сопротивление цепи соединенной параллельно R4 неизменно, ток эмиттера VT1 поддерживается на неизменном уровне. Из-за разброса напряжения база-эмиттер включенных параллельно проходных транзисторов необходимо последовательно с эмиттером проходного транзистора включать группы резисторов R5-R7 и R8-R10. Небольшое сопротивление создаваемое параллельно включенными резисторами R5-R7 и R8-R10 приблизительно одинаково распределяют ток между проходными транзисторами VT2 и VT3. Одновременно с выравниванием токов резисторы R5-R10 защищают источник питания от выхода из строя при кратковременной перегрузке. Конденсатор С2 подавляет высокочастотную составляющую пульсаций выходного напряжения источника питания.

Компоненты стабилизатора напряжения

Конденсаторы K73-16 можно заменить на другой тип K73-17 или зарубежные аналоги. Резисторы R1-R4, R11 и R12 мощности от 0,125 Вт и более, выводные или планарные. Мощность резисторов R5-R10 зависит от максимального тока нагрузки, требуемого от источника питания. Если ток не будет превышать 10 ампер, то резисторы R5-R10 можно установить мощностью 2 ватта, при максимальном токе нагрузки 5 ампер можно установить мощностью 1 ватт. Вместо стабилитрона SZ/BZX84C5V6LT1/T3,G можно применить стабилитрон другого типа с напряжением стабилизации 5,6 вольт и диапазоном тока стабилизации содержащим величину 5 миллиампер, обеспечиваемую диодным ограничителем тока. Применение транзисторов TIP3055 обусловлено наибольшим током нагрузки. Суммарный наибольший ток двух TIP3055 составляет 30 ампер. При допустимом наибольшем токе нагрузки 21 ампер остается запас на кратковременную перегрузку около 30 %. Если выходной ток 21 ампер не требуется можно применить другие транзисторы, ориентируясь на требуемый ток нагрузки. Два проходных транзистора нужно обязательно установить на один радиатор для обеспечения одинакового температурного режима. Вывод коллектора у TIP3055 соединен с металлическим элементом корпуса. Два мощных транзистора можно устанавливать на один радиатор, так как коллекторы мощных транзисторов объединены в схеме стабилизатора. Радиатор следует применить наиболее возможного размера, исходя из полного использования объема корпуса прибора.

Источник нестабилизированного напряжения 15 вольт

В состав источника питания входит схема, преобразующая переменное напряжение 220 вольт в постоянное 15 вольт – источник нестабилизированного напряжения. Выход источника нестабилизированного напряжения 15 вольт подключается к входу стабилизатора постоянного напряжения.

При сборке сетевой шнур подключается к винтовым клеммам автоматического выключателя Q1. Для индикации включения прибора и наличия напряжения 220 вольт служит светодиодная лампа H1. Трансил-диод VD1 защищает источник питания от бросков повышенного напряжения. Конденсаторы C1-C4 снижают уровень помех, создаваемых источником питания в сети 220 вольт и одновременно снижают прохождение высокочастотных помех из сети в источник питания. Переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора Т1 величиной 16,5 вольт выпрямляется диодным мостом VD2. Конденсаторы большой емкости С5-С9 снижают пульсации в выпрямленном напряжении. Большая суммарная емкость конденсаторов обусловлена током нагрузки источника питания.

Компоненты источника нестабилизированного напряжения

Выбор трансформатора производится в зависимости от наибольшего тока, потребляемого нагрузкой. Оптимальная вторичная обмотка – рассчитанная на напряжение 16,5 вольт. Если это напряжение выше применить трансформатор можно. Увеличение напряжения вторичной обмотки создаст запас по напряжению при уменьшении напряжения сети 220 вольт, но одновременно возрастет бесполезно теряемая мощность на нагрев транзисторов, установленных на радиатор. Применять трансформатор с выходным напряжением более 20 вольт не следует. Напряжение менее 16,5 вольт с вторичной обмотки нежелательно. Падение напряжения на диодном мосте составит около 1,2 вольта, снижать напряжение на входе стабилизатора менее 15 вольт не следует, иначе возрастут пульсации на выходе источника питания. Выбрать компромисс между запасом по падению напряжения сети 220 вольт и нагревом мощных транзисторов следует в каждом конкретном случае в зависимости от максимального тока нагрузки. Перед сборкой источника питания обязательно проверьте трансформатор на способность отдавать в нагрузку требуемый ток. Для этого к контактам вторичной обмотки необходимо подключить нагрузку, сопротивление которой вычислено по закону Ома. Полученное сопротивление следует умножить на коэффициент 0,7 для создания запаса по току. Потребляемый ток необходимо контролировать амперметром переменного тока. Проверка работы трансформатора с использованием нагрузки должна продолжаться не менее часа. В результате проверки не должно быть сильного нагрева трансформатора относительно окружающих предметов.

Автоматический выключатель Q1 устанавливается на DIN-рейку, которая прикреплена к передней панели источника питания. Q1 одновременно выполняет две функции: тумблера питания и устройства защиты от перегрузки по току. Выбрать автоматический выключатель нужно другой с меньшим током срабатывания защиты, если уменьшается максимальный ток нагрузки. Лампа Н1 и автоматический выключатель Q1 соединяются проводами используя винтовые контакты. Трансил-диод VD1 и конденсаторы С1…С4 размещаются на отдельной печатной плате. Диодный мост VD2 следует установить на радиатор. Монтаж цепей, находящихся после выхода вторичной обмотки следует выполнять проводом не менее 2,5 квадратных миллиметров.

Литература:
П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники.
http://www.futurlec.com/Transistors/TIP3055.shtml
http://www.electronica-pt.com/datasheets/bd/BD235.pdf
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/99261/CENTRAL/2N2924.html
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/83924/MOTOROLA/BZX84C5V6LT1.html
Диодный источник тока Денисов П. К. http://www.rlocman.ru/review/article.html?di=141588

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Блок питания