В творчестве любого любителя электроники всегда наступает момент когда собранная конструкция уже готова к первому включению и требует подачи питания. Конечно, в качестве источника питания постоянного тока можно использовать гальванические элементы (батарейки и аккумуляторы). Но, по закону подлости, эти элементы обычно в самый отвественный момент оказываются разряжены. Кроме этого, ток короткого замыкания у гальванических элементов может быть десятки-сотни ампер и, при ошибке в схеме, первое включение может стать последним для некоторых радиодеталей. Поэтому неплохо иметь на столе источник питания постоянного тока с функциями регулировки, стабилизации величины выходного напряжения и ограничения тока нагрузки. Схема достаточно простого и дешевого источника питания описывается в данной статье.
Основой конструкции являются микросхемы линейных источников питания LM317T, разработанные в 1970-м году работавшими в фирме National Semiconductor инженерами Робертом С. Добкиным и Робертом Дж. Уидларом. Отечественный аналог этой микросхемы - К142ЕН22. Микросхема представляет собой мощный операционный усилитель, специально предназначенный дляиспользования в качестве активного элемента линейных регуляторов/стабилизаторов напряжения/тока. Микросхема выпускается многими фирмами и вполне (за 45 лет!) освоена в производстве и применении. На основе этой микросхемы созданы не только линейные регуляторы/стабилизаторы но и импульсные схемы вплоть до АМ-радиопередатчиков. Хорошее описание своего продукта у фирмы Texas Instruments содежит 40 страниц подробной технической информации.
Предельные электрические параметры микросхемы
(Сейчас и далее рассматривается исполнение микросхемы в самом распространенном корпусе ТО-220, для других корпусов читаем даташит)
Максимальное входное напряжение: .... 40 В
Максимальный длительный ток: .... 1,5 А
Предельный ток: .... 2,2 А
Минимальный ток нагрузки: 3,5...12 мА
Тепловые параметры
Максимальная рабочая температура структуры: .... 150 С
Сопротивление "структура-корпус": .... 4 С/Вт
Сопротивление "структура-корпус" без охлаждения: .... 50 С/Вт
Таким образом, микросхема позволяет построить регулируемый стабилизированный источник питания в выходным напряжением до 37 В и током нагрузки до 1,5 А. Я предлагаю рассмотреть источник питания с максимальным выходным напряжением 25 В.
Принципиальна электрическая схема источника питания приведена на рис. 1.
Рис. 1. Источник питания постоянного тока. Схема электрическая принципиальная.
Принцип действия источника питания
Первичная обмотка понижающего трансформатора Т1 подключается к сети переменного тока напряжением 220 В 50 Гц через выключатель питания SA1 и предохранитель FU1. Вторичная обмотка трансформатора подключена к мостовому выпрямителю на диодах VD1...VD4. Конденсаторы C1...C5 фильтруют выпрямленное напряжение, которое попадает на первый регулятор - регулятор/стабилизатор тока.
Микросхема LM317 построена таким образом что, меняя сопротивление между выводами IN(вывод 3) и OUT(вывод 2), стремится удержать падение напряжения между выводами ADJ (вывод 1) и OUT, равное опорному напряжению Uref=1,25 В. И если мы между выводами 1 и 2 микросхемы DA1 подадим напряжение, пропорциональное току нагрузки, то микросхема будет стремиться удержать этот ток, и его величину можно задать значениями сопротивлений резисторов R3 и R4:
I=Uref/(R3+R4)
При указанных параметрах резисторов ток в зависимости от положения ротора переменного резистора будет меняться от 37 мА до 1,25 А. Реально минимальный ток получается больше, так как параллельно микросхеме подлючена цепь из светодиода VD6 и резистора R2, добавляющая 8-10 мА.
Если ток нагрузки меньше установленного резистором R4 значения, то микросхема пытается поднять ток и устанавливает минимальное падение напряжения (<3-4 В) между входом (вывод 3) и выходом (вывод 2). Этого напряжения недостаточно для свечения светодиода VD6.
Если ток начинает превышать уставку, микросхема увеличивает падение напряжения между входом и выходом пытаясъ за счет этого удержать ток около уставки. Повышение напряжения приводит зажиганию светодиода VD6, сигнализирующего переход микросхемы DA1 в режим стабилизации/ограничения тока.
В результате, узел регулятора тока на микросхеме DA1 ограничивает максимальный ток всех последующих узлов источника питания, т.е., в конечном случае, нагрузки.
Конденсаторы C5...C9 предотвращают самовозбуждение микросхем DA1 и DA2. Светодиод VD5 индицирует наличие питания.
Регулятор/стабилизатор выходного напряжения питается от регулятора/ограничителя тока и построен на аналогичной микросхеме LM317. Напряжение, пропорциональное выходному, снимается с делителя, образованного резисторами R5 и R6 и сравнивается с опорным 1,25 В.
Меняя величину сопротивления резистора R6 меняем напряжение на входе ADJ микросхемы и, как результат, микросхема меняет выходное напряжение, определяемое выражением:
U=1,25(1+(R6/R5)
При выбранных значениях сопротивлений резисторов получим диапазон выходных напряжений от 1,7 В (минимум что дает микросхема) до 25,7 В. Для измерения выходного напряжения и тока нагрузки используется микроамперметр РА1.
Переключателем SA1 можно выбрать измерение тока, подключив прибор к шунту RS или измерение напряжения, подключив РА1 через ограничивающий резистор R7 к выходным клеммам источника питания.
Величины сопротивлений шунта RS и ограничивающего резистора R7 выбираются исходя их чувствительности (тока) и сопротивления рамки микроамперметра PA1:
RS=Rpa*Ipa/Iвых
R7=Uвых/Ipa
Для примера: Uвых=25 В, Iвых=1,5 А, сопротивление рамки Rpa=700 Ом, ток полного отклонения стрелки Ipa=100 мкА. Получаем RS=46,7 мОм и R7=250 кОм. R7 можно набрать дискретными резисторами (например, 240 кОм + 10 кОм), а вот шунт лучше сделать из отрезка медной проволоки и экспериментально подобрать его длину.
Шкала микроамперметра будет размечена на 25 В и 1,5 А.
Конструкция и детали.
Трансформатор Т1 выбираем из расчета выходного тока - 1,25 А и выходного напряжения источника питания в 25 В.
Номинальный ток вторичной обмотки трасформатора можно принять 1,25 А. Напряжение вторичной обмотки рассчитаем исходя из того, что падение напряжения на одной микросхеме 3..4 В, падение напряжения на диодах - 0,7 В/шт., коэффициент схемы выпрямителя с фильтром 1,41:
U2=(Uвых+2*dUмикросхема+2*dUдиод)/Ксхемы=(25+2*4+2*0,7)/1,41=24,4 В
Трансформатор должен обеспечивать 24 В под нагрузкой 1,2 А. Если будет выбран трансформатор с меньшим напряжением вторичной обмотки то источник питания просто не выдаст заложенные 25 В. Если это устраивает создателя, то делитель R5/R6 можно в принципе не пересчитывать. Просто в крайнем положении ротора R6 не будет стабилизации.
При выборе трансформатора следует учитывать то, что максимально допустимое напряжение питания микросхемы 40 В. Поэтому на холостом ходу на вторичной обмотке не должно быть более 40/1,41=28,3 В. Мощность трансформатора определяется просто: ST > S=U2*Iвых=24*1,2=28,8 ВА.
Пользуясь приведенными ранее формулами можно рассчитать источник питания на другие параметры. При необходимости реализовать источник питания на большие токи смотрим даташит.
Батарею конденсаторов С1...С4 можно заменить единичным конденсатором 10...20 тыс мкФ. Кашу маслом не испортишь.Конденсаторы С5, С7 и С9 - керамические или пленочные на номинальное напрядение не менее 63 В.
Монтаж микросхем ведем или на отдельных охладителях, или на общем но с применением изолирующих прокладок. Монтировать микросхемы на общем охладителе без изоляции НЕДОПУСТИМО. Если микросхемы не изолируются от радиаторов то радиаторы должны быть изолированы от корпуса (если он металлический) и относительно друг друга.
Площадь радиаторов должна быть как можно больше. При к.з. на выходе и установленном токе 1,2 А на микросхеме DA1 будет выделяться 36 Вт тепла!
Даже если охладитель будет идеальным с температурой 20 С, то кристалл микросхемы разогреется до температуры 20+(36*4)=164 С, что выже предельной. Поэтому нерекомендуется длительные режимы работы при токах около ампера и выходных напряжениях меньше 10 В.
Например, при 12 В и 1 А на выходе первая микросхема будет выделять 18 Вт, а вторая всего 4 Вт при стабилизации тока. Разумеется, температуры кристаллов в рассмотренном режиме будут ниже. При стабилизации напряжения наибольшее тепловыделение будет на второй микросхеме (где падение напряжения больше). Мною использованы охладители площадью примерно 120 см2.
Для диодного моста подойдут любые диоды с допустимым средним током более 1 А: 1N4007, 1N4008, 1A7, КД226 и так далее. Религия не запрещает вместо четырех единичных диодов поставить монолитный диодный мост, рассчитанный на ток не менее 3 А. Обратное напряжение диодов не менее 2*U2*1,41 (70 В и выше).
Переменные резисторы - однозначно проволочные. Особенно R4. Если нет проволочного резистора, то можно поставить галетный переключатель, переключающий постоянные резисторы, и задавать величину уставки по току дискретно.
Монтаж выполняется навесным способом на выводах микросхем, конденсаторов и на монтажных стойках. Из-за небольшого числа деталей смысла разрабатывать и изготовлять печатную плату нет.
Литература
1. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm117.pdf
2. http://en.wikipedia.org/wiki/LM317
R9AAA
Челябинск
2015 г.
