Источник питания позволяет регулировать выходное напряжение на нагрузке в диапазоне от 1 до 18В, а также ток в режиме ограничения/стабилизации от 0,03 до 4А. Четырёхпроводная схема подключения совместно с точной/грубой регулировкой позволяет устанавливать и поддерживать требуемые значения тока и напряжения на нагрузке с большой точностью. Схема источника питания приведена ниже.
В качестве регулирующего элемента применяется IGBT-транзистор VT7. Изолированный затвор транзистора позволяет существенно снизить ток и упростить схему управления. Кроме того, IGBT-транзисторы, как правило, имеют меньшее тепловое сопротивление переход-корпус, что позволяет рассеивать большую мощность по сравнению с биполярными.
Управляющее напряжение на затвор VT7 подаётся с коллектора транзистора VT5, нагрузкой которого является источник стабильного тока 20 мА, собранный на элементах VT6, VD4, R26, R29,C14. Стабильный ток коллектора транзистора VT5 снижает влияние пульсаций питающего напряжения, что улучшает подавление пульсаций стабилизатора в целом.
Усилитель ошибки DA5 обеспечивает стабилизацию напряжения на нагрузке, поддерживая равенство между опорным напряжением 1 В, формируемым элементами DA1, C3, R2, R3 и напряжением, формируемым делителем R36, R35 и R34, R33 относительно питания +23 В. Для компенсации сопротивления проводов +Uвых, -Uвых и измерительного шунта Rш элементы источника опорного напряжения, а также резисторы обратной связи по напряжению R33… R36 подключаются двумя дополнительными проводами +U’вых и -U’вых непосредственно к нагрузке. Резисторы R32 и R37 обеспечивают обратную связь по напряжению при неподключенных к нагрузке цепях +U’вых и -U’вых. Стабилизация происходит следующим образом. Увеличение напряжения на нагрузке приводит к росту напряжения на резисторах R33, R34, которое через резистор R11 поступает на выв.3. ОУ DA5. Напряжение на неинвертирующем входе ОУ уменьшается относительно инвертирующего, соответственно уменьшается напряжение на выходе DA5, что приводит к открытию транзистора VT2. Растущий ток коллектора VT2 открывает транзистор VT5, который, в свою очередь, уменьшает напряжение на затворе VT7. Ток коллектора VT7, а значит, и напряжение на нагрузке будет уменьшаться до тех пор, пока не наступит равенство напряжений на входах ОУ DA5.
Выключатель SB1 переводит стабилизатор в режим источника стабильного тока. Во включённом положении SB1 транзистор VT3 открывается и закрывает транзистор VT2, блокируя работу усилителя ошибки DA5. Светодиод HL2 индицирует включение режима ограничения. В этом режиме ОУ DA6 сравнивает падение напряжения на резисторах R28, R31, R38, которое пропорционально протекающему через нагрузку току с напряжением, установленным источником опорного напряжения DA3 и делителем R4…R8. Увеличение напряжения на выв. 3 ОУ DA6 относительно напряжения на выв. 2 вызывает рост напряжения на выходе ОУ и открытие транзистора VT5, который закрывая транзистор VT7 уменьшает ток, протекающий через нагрузку. Вследствие этого устанавливается баланс между опорным напряжением и напряжением на резисторах R28, R31, R38 который и приводит к стабилизации тока в нагрузке. Стабилитрон VD5 ограничивает напряжение затвор-эмиттер на безопасном уровне, поскольку в отсутствие нагрузки в режиме стабилизации тока транзистор VT5 полностью закрыт. Схема ограничения тока работает аналогичным образом и в режиме стабилизации напряжения. Светодиод HL1 индицирует момент ограничения тока нагрузки.
Выключатель SB2 и защитный термостат, включённые последовательно, управляют питанием нагрузки, подключенной к стабилизатору. Размыкание любого из них приводит к открытию транзисторов VT4 и VT5, закрытию транзистора VT7 и снятию напряжения с нагрузки. Светодиод HL3 индицирует режим отключения нагрузки.
Источник стабильного тока 6 мА, собранный на стабилизаторе DA2 запитывает источники опорного напряжения DA1 и DA3 компенсируя изменения и пульсации питающего напряжения +23В, что делает опорное напряжение зависимым только от температуры. Стабилизатор DA4 используется для питания внешних устройств (цифровой ампервольтметр) и в работе стабилизатора не участвует. Ниже представлены схема расположения элементов на печатной плате, чертёж печатной платы и фотография устройства.
Переменные резисторы R6, R7, R35, R36 прикручиваются к планке из фольгированного стеклотекстолита, а затем уголками крепятся к плате.
Для защиты от помех планка с резисторами соединяется с корпусом (GND) платы стабилизатора.
Настройка стабилизатора начинается с установки нижнего предела напряжения, который в данном случае совпадает с опорным. Для этого резисторы R35 и R36 выкручивают до упора против часовой стрелки — нижнее по схеме положение. Контролируя напряжение вольтметром, и подстраивая резистор R2, на выходе стабилизатора устанавливают значение, равное +1 В. Далее, переменные резисторы R35, R36 устанавливают в обратное положение, и подстройкой резистором R34 устанавливают верхний предел диапазона +18 В. Диапазон выходного напряжения можно настроить и на другие значения. Для нижней границы достаточно установить нужное значение опорного напряжения, а для верхней — пересчитать номиналы резисторов цепи обратной связи R33, R34, R35, R36: Umax/Umin = (R35+R36/R33+R34)+1. При этом суммарное сопротивление резисторов R33+R34 не должно быть менее 1 кОм, поскольку выходное напряжение стабилизатора в режиме источника стабильного тока практически равно напряжению питания.
Для настройки ограничителя тока переменные резисторы R6 и R7 выкручиваются до упора по часовой стрелке – в верхнее по схеме положение. Подстроечным резистором R5 на выв. 2 ОУ DA6 предварительно устанавливается напряжение, равное +0,2 В. Далее, ручки резисторов устанавливают на минимальный ток ограничения – нижнее по схеме положение. К выходу стабилизатора подключается внешний амперметр, светодиод HL1 должен индицировать включение режима ограничения тока. Плавно вращая ручки резисторов R6 и R7, устанавливают максимальное значение тока в нагрузке. При необходимости подстройкой резистора R5 корректируют максимальное значение тока на выходе. Резистор R8 определяет нижнюю границу диапазона ограничения тока, и при необходимости её можно изменить, подобрав его номинал. Максимальный ток в нагрузке тоже можно изменить, используя выражение U(выв.2 DA6)=Imax*Rш, где Rш – общее сопротивление резисторов R28, R31, R38, при этом желательно, чтобы суммарная мощность, рассеиваемая ими, не превышала 1 Вт.
IGBT транзистор VT7 можно заменить на полевой n-канальный транзистор, либо на несколько параллельно соединенных транзисторов. Для подбора замены необходимо посчитать, какая максимальная мощность будет рассеиваться на регулирующем транзисторе. Худший вариант – низкоомная нагрузка в режиме источника тока, когда на транзистор VT7 при максимальном токе прикладывается практически всё напряжение питания, при этом на нём рассеивается мощность P = 4А*23В=92 Вт. Далее, из спецификации на транзистор, предполагаемый для замены, выбираются следующие параметры: максимальная рабочая температура перехода (max. operating junction temperature) Tj, тепловое сопротивление переход-корпус (thermal resistance junction-to-case) Rjc, тепловое сопротивление корпус-радиатор (thermal resistance case-to-sink) Rcs. К примеру, у транзистора IRFP044N эти параметры будут следующие: Tj=175 ºС, Rjc=1,3 ºС/W, Rcs=0,24 ºС/W. Рассчитаем предельную температуру радиатора для мощности 92 Вт и вышеуказанных параметров: Ts = Tj — P*(Rjc + Rcs) = 175 – 92*(1,3 +0,24) = 33 ºС. На практике обеспечить столь низкую температуру радиатора практически невозможно, а поскольку её дальнейшее увеличение приведёт к выходу из строя транзистора VT7, необходимо уменьшить рассеиваемую мощность, подключив параллельно к VT7 один или два транзистора, увеличив допустимую температуру нагрева радиатора до 66 или 99 ºС. Температура срабатывания защитного термостата (например В-1002) выбирается с учётом допустимых отклонений, которые могут достигать у последнего 10%. Изолирующие прокладки между транзистором и радиатором увеличат тепловое сопротивление Rcs, допустимая температура нагрева радиатора станет ещё меньше, так что их применение, по возможности, следует избегать.
Фотографии собранного лабораторного источника питания:
На видео представлена работа устройства на низкоомную нагрузку.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DA1, DA3 | ИС источника опорного напряжения | LM385-2.5 | 2 | |||
| DA2 | Линейный регулятор | LM317L | 1 | |||
| DA4 | Линейный регулятор | LM7815CT | 1 | |||
| DA5 | Операционный усилитель | TL071 | 1 | |||
| DA6 | Операционный усилитель | LM358N | 1 | |||
| VT1 | Биполярный транзистор | 2SC945 | 1 | |||
| VT2-VT4 | Биполярный транзистор | 2SA733 | 3 | |||
| VT5 | Биполярный транзистор | BD139 | 1 | |||
| VT6 | Биполярный транзистор | BD140 | 1 | |||
| VT7 | IGBT-транзистор | HGTG30N60A4D | 1 | |||
| VD1-VD3 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 3 | |||
| VD4 | Стабилитрон | 3.3В | 1 | 0,5 Вт | ||
| VD5 | Стабилитрон | 18В | 1 | 1,3 Вт | ||
| C1-С3, С5, С6, С10 | Конденсатор | 1 мкФ | 6 | |||
| С4 | Электролитический конденсатор | 1000 мкФ 35В | 1 | |||
| С7 | Конденсатор | 1000 пФ | 1 | |||
| С8 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ 25В | 1 | |||
| С9 | Конденсатор | 330 пФ | 1 | |||
| С11, С12 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 2 | |||
| С13, С14 | Конденсатор | 2.2 мкФ | 2 | |||
| С15 | Электролитический конденсатор | 100 мкФ 63В | 1 | |||
| R1 | Резистор | 200 Ом | 1 | |||
| R2 | Подстроечный резистор | 15 кОм | 1 | Серия 3296W | ||
| R3 | Резистор | 15 кОм | 1 | |||
| R4 | Резистор | 18 кОм | 1 | |||
| R5 | Подстроечный резистор | 1 кОм | 1 | |||
| R6 | Переменный резистор | 1.5 кОм | 1 | Серия 16K1 для печатного монтажа | ||
| R7 | Переменный резистор | 100 Ом | 1 | |||
| R8 | Резистор | 3,9 Ом | 1 | |||
| R9-R11, R13, R14, R18, R19, R22 | Резистор | 10 кОм | 8 | |||
| R12, R16, R21, R25, R27 | Резистор | 2 кОм | 5 | |||
| R15, R24 | Резистор | 20 кОм | 2 | |||
| R17 | Резистор | 1.5 кОм | 1 | |||
| R20 | Резистор | 1 кОм | 1 | |||
| R23 | Резистор | 5.6 кОм | 1 | |||
| R26 | Резистор | 130 Ом | 1 | |||
| R28, R31, R38 | Резистор | 0.15 Ом | 3 | 1 Вт | ||
| R29 | Резистор | 3 кОм | 1 | |||
| R30 | Резистор | 100 Ом | 1 | |||
| R32, R37 | Резистор | 22 Ом | 2 | |||
| R33 | Резистор | 1 кОм | 1 | 0,5 Вт | ||
| R34 | Подстроечный резистор | 470 Ом | 1 | |||
| R35 | Переменный резистор | 22 кОм | 1 | |||
| R36 | Переменный резистор | 1.5 кОм | 1 | |||