При создании домашней лаборатории радиолюбители сталкиваются с проблемой изготовления лабораторного блока питания. Многие уже имеют подобное устройство, но оно часто не устраивает владельцев из-за ограниченных эксплуатационных возможностей, в частности отсутствия или малой эффективности системы защиты от перегрузки и замыкания цепи выхода. Основные требования, которые радиолюбители предъявляют к лабораторным блокам питания, - это возможность широкого регулирования выходного стабильного напряжения, практически от нуля до 30... 35 В, способность обеспечить большой (до 3 А) ток в нагрузке при минимальной пульсации выходного напряжения, возможность питания нагрузки двуполярным выходным напряжением, а также наличие эффективной системы защиты, предотвращающей выход из строя как самого устройство, так и налаживаемой конструкции. Система должна быть быстродействующей, с «триг-герным эффектом» и одновременным отключением обоих плеч двуполярного стабилизатора. Часто бывает желательна возможность плавного или ступенчатого регулирования тока срабатывания системы защиты. Учитывая все большее распространение микросхем, питаемых от нескольких источников, в лабораторном блоке должен быть предусмотрен отдельный пятивольтовый стабилизатор, защищенный и от повышения выходного напряжения, и от замыкания на выходе. Лабораторный блок питания, описанный ниже, был разработан с учетом этих и других требований.
Упрощенная схема узла защиты двуполярного стабилизатора показана на рис. 1. Основной элемент узла -— триггер DD1, включенный по схеме со смещенным питанием. Напряжение питания снимают с обоих плеч двуполярного выпрямителя через параметрические стабилизаторы R4VD2 и R5VD3. При кратковременном нажатии на кнопку SB1 «Возврат» триггер переключается в нулевое состояние и на его прямом выходе появляется сигнал низкого уровня. Транзисторы VT2 и VT3 закрываются и не участвуют в работе стабилизаторов. Вход S триггера подключен к делителю напряжения R2R3. В отсутствие тока нагрузки транзистор VT1 закрыт и на входе S триггера будет сигнал низкого уровня. При перегрузке стабилизатора 1 падение напряжения на резисторе R1 приоткрывает транзистор VT1, на входе S триггера появляется отрицательное (относительно нижнего по схеме вывода резистора R3) напряжение, определяемое соотношением сопротивления резисторов R2, R3. При глубокой перегрузке напряжение на входе S достигнет порога срабатывания триггера, он переключится, уровень напряжения на его прямом и инверсном выходах изменится на противоположный. Транзисторы VT2 и VT3 откроются, формируя управляющие сигналы Uynpl и Uynp2, которые закроют регулирующий элемент стабилизаторов 1 и 2. Выходное напряжение и ток нагрузки стабилизаторов уменьшатся почти до нуля, после чего транзистор VT1 закроется и восстановится прежнее напряжение на входе S триггера. Такое состояние может сохраняться сколь угодно долго. Для запуска стабилизатора необходимо устранить причину перегрузки и затем нажать на кнопку "Возврат". Такая система защиты стабилизаторов напряжения весьма универсальна. Используя триггеры различных серий, ее можно легко встроить практически в любой двуполярный компенсационный стабилизатор. Принципиальная схема лабораторного блока питания с триггерной защитой изображена на рис. 2.
Основные технические характеристики.
Выходное напряжение, В:
двуполярного стабилизатора............................................................................................................................2x5 - 2х30
однополярного ........................................................................................................................................................5
Пределы регулирования тока срабатывания системы защиты двуполярного стабилизатора, А......................................0,5...3
Нестабильность выходного напряжения двуполярного стабилизатора, мВ, при Uвых=20В, Iн = 3А...............................200
Ток через нагрузку после срабатывания системы защиты двуполярного стабилизатора, мкА............................................100
Напряжение срабатывания системы защиты пятивольтового стабилизатора, В................................................................6 - 6,5
Ток срабатывания системы защиты пятивольтового стабилизатора, А..................................................................................4
Нестабильность выходного напряжения пятивольтового стабилизатора, мВ, при Iн —3А...............................................100
Время срабатывания системы защиты, мкс...............................................................................................................................50
Стабилизаторы напряжения блока питания принципиально одинаковы и выполнены по известной компенсационной схеме. Минимальное выходное напряжение стабилизаторов зависит от напряжения образцовых источников питания на диодах VD8—VD10, VD15— VD17 и VD19, VD20. Эти цепи можно заменить стабисторами на соответствующее напряжение. Использование в качестве нагрузки управляющего элемента стабилизаторов тока (на транзисторах VT2, VT9 и VT16) позволило значительно увеличить коэффициент стабилизации и уменьшить выходное сопротивление. Система защиты блока питания построена на базе триггера DD1 Датчиками тока служат резисторы R3, R19 и R37. Сигналы, отключающие двуполярный стабилизатор при его перегрузке, снимаются с выводов 7 и 9 триггера. Ключевые транзисторы VT3 и VT10 системы защиты при этом открываются. Сигнал на отключение пятивольтового стабилизатора снят с вывода 6 триггера, здесь ключевым служит транзистор VT15. Иногда в различных устройствах автоматики, питающихся одновременно от двуполярного и однополярного источников, при пропадании пятивольтового напряжения питания необходимо выключение второго источника. Для этого в систему защиты введена цепь VD5, SA1. При замкнутых контактах переключателя SA1 срабатывание узла защиты пятивольтового стабилизатора приводит к отключению и двуполярного стабилизатора — комбинированная защита. Импульс возврата на входах R микросхемы DD1 формируется при пролете подвижного контакта кнопки SB1 из одного положения в другое. Узел защиты по выходному напряжению пятивольтового стабилизатора собран на тринисторе VS1, диоде VD21, стабилитроне VD22 и резисторах R41, R46. Принцип работы узла подробно описан в [1]. Следует отметить, что в некоторых случаях для установки порога срабатывания защиты в пределах между 6 и 6,5 В необходимо подобрать стабилитрон VD22. Резисторы R3 и R19 одновременно служат шунтами для амперметров РА1 и РА2. Подстроечные резисторы R4 и R18 служат для установки необходимого тока отклонения стрелки амперметров, а диоды VD3 и VD11 защищают их от перегрузки большим током. Светодиод HL1 и резистор R47 образуют индикатор перегорания предохранителя в пятивольтовом стабилизаторе.
На время длительной работы блока питания
при выходном двуполярном напряжении менее 2 х 15 В
ток нагрузки не следует устанавливать более 1...1,5
А, так как это может привести к тепловому пробою
транзисторов VT5, VT12. Для избежания такой
опасности необходимо предусмотреть
соответствующее ступенчатое уменьшение
напряжения на входе выпрямителя. Переменные
резисторы R1 и R17, служащие для плавного
регулирования тока срабатывания системы защиты;
устанавливаемые обычно на передней панели блока,
можно заменить на постоянные (для этого отведено
место на печатной плате). График зависимости тока
срабатывания I от сопротивления этих резисторов
показан на рис. 3. Следует также отметить, что при
значительной емкостной составляющей нагрузки и
малых значениях тока I возможно срабатывание
защиты от зарядного тока выходных конденсаторов.
Печатная плата блока питания, чертеж которой изображен на рис. 4, выполнена из фольгированного стеклотекстолита. Для увеличения толщины дорожек печатного монтажа их необходимо облудить, а на те, через которые протекает значительный ток, следует припаять дублирующие медные проводники. На плате расположены все элементы блока, за исключением выпрямителей, регулирующих транзисторов, микроамперметров РА1, РА 2, переменных резисторов Rl, R13, R17, R33, переключателя SA1, кнопки SB1, предохранителя FU1 и резистора R47 со светодиодом HL1.
Транзисторы VT4, VT11 установлены на небольших теплоотводах размерами 25х18х5 мм. выполненных из дюралюминия. Транзисторы VT5, VT12, VT18 должны быть установлены на теплоотводы с полезной площадью не менее 1000 см2 каждый. В устройстве использованы широко распространенные радиодетали, за исключением микросхемы К172ТР1. Ее можно заменить на К178ТР1, но при этом необходимо изготовить небольшую переходную плату, так как у них разная цоколевка. Подстроечные резисторы — СПЗ-1Б. Резисторы R3, R19, R37, R41 — самодельные, проволочные, намотаны манганиновым проводом диаметром 0,3...0,4 мм. Конденсаторы С1, СЗ, С4, С6, С8 — К50-6, С2, С5, С7 — КМ, МБМ. Диоды Д223 могут быть заменены на Д223А, Д223Б. Вместо стабилитрона КС518А можно последовательно включить два стабилитрона Д814Б с общим напряжением стабилизации 18 В. Переменные резисторы R1, R17 могут быть ППЗ, СПЗ, желательно группы Б. Транзисторы VT1, VT7 должны быть германиевыми. Применение кремниевых транзисторов повысит минимальный ток срабатывания защиты до 1...1,5 А. Транзисторы МП37Б можно заменить на МП37А, КТ503Г, КТ503Е, а МП26Б — на МП26А, МП25А, МП25В, КТ502Г. Транзисторы VT4, VT5, VT11, VT12, VT17, VT18 желательно подобрать с большим статическим коэффициентом передачи тока базы. Сетевой трансформатор можно применить любой, мощностью не менее 200 Вт, например ТС-200К. Вторичные обмотки нужно перемотать медным проводом ПЭВ-2 диаметром не менее 1,5 мм на переменное напряжение 2х30 В и 11 В. В выпрямителях можно использовать любые диоды с максимально допустимым прямым током не ме tee 5 А и максимально допустимым обратным напряжением 50 В и больше. Вольтметры двуполярного стабилизатора на напряжение 30...50 В (на схеме не показаны) подключают непосредственно к выходам стабилизатора. Микроамперметры РА1 и РА2 могут быть любыми с током полного отклонения стрелки не более 200 мкА. Микровыключатель SA1 и кнопка SB1 — МТЗ и МКЗ. Для налаживания блока питания необходимы амперметр, вольтметр (класса точности 0,5—1) и нагрузочный резистор мощностью не менее 200 Вт, например, реостат РСП-2.
Убедившись в правильности монтажа, временно отключают систему защиты всего блока питания. Для этого необходимо разорвать цепь коллектора транзисторов VT3, VT10, VT15 и цепь анода диода VD21. Налаживание начинают с двуполярного стабилизатора. Движки подстроечных резисторов R4 и R18 устанавливают в крайнее правое по схеме положение. Затем включают блок питания в сеть и вращением движков переменных резисторов R13 и R33 проверяют регулирование выходного напряжения. Верхний предел (30 В) устанавливают подборкой резисторов R14, R32, нижний (5 В) — R12, R34. Устанавливая ток на выходе сначала плюсового, а потом минусового плеча стабилизатора 2...2,5 А, следят за показаниями вольтметра. Если они не изменились, значит самовозбуждения нет. Затем также проверяют пятивольтовый стабилизатор, устанавливая с помощью аво-метра выходное напряжение подстроечным резистором R44. Если в каком-либо стабилизаторе будет обнаружено самовозбуждение, то необходима подборка соответствующего конденсатора (С2, С5, С7), причем следует стремиться к минимальной емкости. Далее устанавливают ток полного отклонения стрелки амперметров. Для этого между выводами минусового и плюсом то плеч стабилизатора через образцовый амперметр включают нагрузочный резистор и, постепенно уменьшая его сопротивление, устанавлива ют нагрузочный ток 3 А. После этого вращением движков под-строечных резисторов R4, R18 устанавливают показание стрелок амперметров РА1 и РА2, ранное 3 А.
Для налаживания системы защиты сначала восстанавливают цепь коллектора транзисторов VT3, VT10, переключатель SA1 переводят в положение «Разд.» («Раздельная защита»), а движки подстроенных резисторов R15, R21, R35 — в крайнее верхнее по схеме положение. Затем при отключенной нагрузке включают блок и нажимают на кнопку «Возврат». Стабилизатор должен работать, в противном случае нужно замерить напряжение на выводах 7 и 9 триггера. Оно должно быть примерно равно +9 В и -18 В соответственно. Подключив нагрузочный резистор к одному из плеч стабилизатора, например к минусовому, устанавливают ток нагрузки, равный 3 А. Медленно перемещая движок подстроенного резистора R21 вниз (но схеме), добиваются срабатывания системы защиты. При этом одновременно должны закрыться регулирующие элементы обоих плеч двуполярного стабилизатора, и выходное напряжение, резко уменьшается до нуля. Затем, отключив нагрузку, нажимают на кнопку «Возврат». Выходное напряжение обоих плеч должно восстановиться. Аналогичную операцию проделывают и с плюсовым плечом. Вращением движка подстроенного резистора R15 добиваются срабатывания системы при токе нагрузки 3 А. Затем надо проверить работу системы защиты при перегрузке одновременно в обоих плечах стабилизатора. Для этого нагрузочный резистор включают между нлюсоиым и минусовым плечами двуполярного стабилизатора, постепенно уменьшают его сопротивление и по показаниям амперметра отмечают значение тока срабатывания зашиты. Допустимо некоторое различие в значениях порога срабатывания защиты, не превышающее 0,1...0,2 А.
Для налаживания системы защиты от перегрузки пятивольтового стабилизатора необходимо восстановить цепь коллектора транзистора VT15 и убедиться в нормальной работе стабилизатора. После этого устанавливают ток нагрузки 4 А и вращением движка подстроенного резистора R35 добиваются срабатывания системы защиты. Затем нажимают на кнопку «Возврат», выключатель SA1 переводят в положение «Комб.» и, замкнув выход стабилизатора, убеждаются в срабатывании системы защиты и одновременном отключении обоих стабилизаторов. Для налаживания узла защиты от повышения выходного напряжения пятивольтового стабилизатора необходимо восстановить цепь диода VD21, отключить нагрузку и установить движок подстроечного резистора R44 в нижнее по схеме положение. Затем, медленно перемещая движок в обратном направлении, по вольтметру отмечают напряжение срабатывания, оно должно находиться в пределах 6...6,5 В. При этом обязательно должен перегореть предохранитель FU1 и включиться светодиод HL1, индицируя срабатывание узла зашиты по напряжению. Далее движок подстроечного резистора R44 устанавливают в нижнее по схеме положение, заменяют предохранитель и снова устанавливают выходное напряжение стабилизатора 5 В.
В процессе налаживания системы защиты блока питания необходимо следить за тем, чтобы не допустить перегрева мощных транзисторов регулирующих элементов. Подробности о работе стабилизаторов и защитных устройств можно узнать в [2, 3].
М. МАНСУРОВ, г. Ташкент
ЛИТЕРАТУРА:
I- Миронов А. Пятивольтовый с системой защиты.-- Радио, 1984, № 1 1, с. 46 — 48.
2, Вересов Г., Смуряков Ю. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры. МРБ, вып. 969. М.: Радио и связь, 1978.
3. Кучер И. Стабилизатор напряжения двуполярного блока питания с защитой от перегрузок. Сборник «В помощь радиолюбителю», выи- 84. с. 74—79 — М.: ДОСААФ С ССР, 1983.
РАДИО № 4, 1990 г.
