Laboratorní zdroj – 0 až 30V 0 až 3A – konstrukce

Konstrukce jednoduchého laboratorního zdroje s citlivou proudovou pojistkou, aktivním chlazením a vyřešenou mechanickou konstrukcí.

Upozornění (6.3.2006):  trimr R29 pro nastavení přesně 0V na výstupu má být zapojen mezi vývody 1 a 5 IO3 a ne mezi 1 a 8. V dokumentaci tento problém odstraním výhledově (=nikdy :-).

Jedná se o mírně upravené zapojení, pocházející ze serveru electronics-lab.com. Zapojení jsem poupravil, doplnil o měřicí přístroje, aktivní chlazení s teplotním spínačem a vtěsnal do krabičky. Vznikl tak poměrně kompaktní zdroj pro použití v domácí laboratoři. Zařízení je sestaveno na dvou deskách plošných spojů. Jedná se o vlastní desku zdroje a desku teplotního spínače ventilátoru se zdrojem napětí pro panelová měřidla. Zapojení na jednotlivých deskách budou pro přehlednost popsána odděleně.

Popis zapojení – deska zdroje

Napětí ze síťového transformátoru je usměrněno diodami D1 – D4 v můstkovém zapojení a filtrováno kondenzátorem C1 (případně C10, C11 – osazovací varianta, viz níže) a rezistorem R1. Obvod má určité vlastnosti díky kterým se liší od podobných zařízení svého druhu. Nepoužívá ke kontrole výstupního napětí uspořádání proměnné zpětné vazby, ale konstantní zesilovač, který zajištuje referenční napětí pro stabilní výstupní napětí. Výstup referenčního napětí je na výstupu IO1.  Zenerova dioda D8 (5,6 V) zajišĹĄuje teplotní stabilizaci, napětí na výstupu IO1 se postupně zvyšuje, dokud dioda D8 nesepne. Poté se obvod stabilizuje a referenční napětí zenerovy diody (5,6V) se objeví na odporu R5. Proud, který prochází přes neinvertující vstup operačního zesilovače je zanedbatelný, stejný proud prochází přes odpory R5 a R6. Napětí na výstupu operačního zesilovače (pin 6 na IO1) je 11,2V (2 x
5,6V). IO2 má nastaveno konstantní zesílení cca 3 (A = (R11 + R12)/R11), zvyšuje tedy referenční napětí z IO1 (11,2V) na cca 33V. Trimr R29 a rezistor R10 upravují limity výstupního napětí, které tak může být redukováno na 0V i vzhledem k tolerancím ostatních součástí.

Další důležitou vlastností obvodu je možnost nastavit hodnotu maximálního proudu na výstupu, čímž lze ze zdroje napětí v podstatě udělat zdroj konstantního proudu. Aby toto bylo možné, obvod detekuje úbytky napětí na paralelní kombinaci odporů R7, R8, které jsou sériově spojeny se zátěží. Invertující vstup IO1 je nastaven rezistorem R21 na

0V, pomocí potenciometrů P3+P4 může být na neinvertujícím vstupu nastaveno libovolné napětí.

čelní pohled - panel napájecího zdroje

Předpokládejme, že pro výstupní napětí několika voltů je P3 + P4 nastaven tak, aby mělo napětí na vstupu integrovaného obvodu hodnotu 1V. Pokud se vlivem zátěže zvýší úbytek na paralelní kombinaci R7, R8
nad nastavený 1V, zareaguje proudová pojistka a přes D9 se omezí výstupní napětí zdroje prostřednictvím IO3 (IO3 slouží ke kontrole napětí a IO1 je spojen s jeho vstupem, čímž může později efektivně potlačit jeho funkci. Napětí na odporu R7 je monitorováno a jeho velikost se nemůže zvyšovat nad stanovenou hodnotu – v našem případě
nad 1 V). Toto je princip udržování konstantního proudu na výstupu.

Obvod umožnuje přednastavit minimální proudové omezení okolo 2mA. Kondenzátor C8 zvyšuje stabilitu obvodu. T3 rozsvítí LED diodu v okamžiku, kdy je elektronický omezovač aktivován.

schema zdroje

 

Schema zapojení napájecího zdroje

deska plošných spojů napájecího zdroje

Pomocí obvodu složeného z C2, C3, D5, D6 a R7 je vytvořeno záporné napájecí napětí pro operační zesilovače IO1 a IO3. Tranzistor T1 a okolní součástky zajišĹĄují ochranu napájeného zařízení v případě, že by z nějakého důvodu zmizelo záporné napájecí napětí. ZároveĹ“ se tento obvod uplatní při zapnutí napájení celého zdroje, kdy potlačí napěĹĄovou špičku na výstupu.

osazení desky plošných spojů napájecího zdroje

Jako regulační prvek je použita paralelní kombinace tranzistorů T4, T5, které jsou řízeny prostřednictvím T2. Emitorové rezistory R26 a R27 eliminují rozdíly v parametrech T4 a T5, čímž je zajištěno stejnoměrné
rozložení výkonu na obě součástky. Paralelní kombinace T4, T5 byla použita z důvodu efektivního chlazení. Při experimentech pouze s jedním tranzistorem nebylo možné tento uchladit (při velmi nepříznivých
podmínkách – dlouho trvajícím zkratu na výstupu a proudu cca 3,8A) a vlivem vysoké teploty došlo k průrazu přechodu.

pohled na osazenou desku zdroje

Popis zapojení – deska teplotního spínače ventilátoru a napájecího zdroje panelových měřicích přístrojů

Protože použité měřicí moduly nemohou mít společnou zem napájecí a měřicí, je třeba pro každý vytvořit galvanicky oddělené napájení. Použitý transformátor má proto dvě vinutí, střídavé napětí je usměrněno a standardně stabilizováno. Obvod teplotního spínače ventilátoru je tvořen operačním zesilovačem IO1, který je zapojen jako komparátor.
Trimr R4 nastavuje spínací uroveň, hystereze je nastavena rezistorem R6. Ventilátor je spínan v závislosti na teplotě, teplotní čidlo (KTY-10) je přilepeno na chladič.

deska ovládání ventilátoru

Schema zapojení – ovládání ventilátoru a pomocný zdroj

deska spínače ventilátoru a pomocného zdroje

Plošný spoj – deska spínače ventilátoru

osazení desky spínače ventilátoru a pomocného zdroje

Osazení desky spínače ventilátoru a pomocného zdroje

Mechanická konstrukce

Zařízení je navrženo do plastové krabice KP-14 ABS. V zadním čele je vyříznut otvor pro ventilátor, euro konektor a vyvrtán otvor pro pojistkové pouzdro. Chladič je umístěn nad deskou zdroje na distančních sloupcích délky 45mm + 10mm (na kovových 45mm sloupcích jsou našroubovány ještě 10mm plastové sloupky pro odizolování šroubů ve dně
krabice od potenciálu chladiče). Celková mechanická konstrukce je patrná z fotografií. Větrací otvory ve dně a víku krabice umístíme na stranu čelního panelu. Těmito otvory bude vyfukován ohřátý vzduch.

Ventilátor je třeba namontovat tak aby směr proudícího vzduchu byl dovnitř přístroje. Transformátor je upevněn pomocí s ním dodávaného šroubu a plechového držáku ke dnu skříňky. Do čelního panelu je třeba vyvrtat otvory pro potenciometry, LED diodu, svorky a případně zkratovací tlačítko. Nejpracnější je vyříznutí čtverhranných otvorů pro
panelová měřidla a síĹĄový vypínač. Před vyříznutím otvorů pro součástky u krajů čela skříňky dejte pozor, aby  tyto součástky nepřekážely sloupkům uvnitř skříňky, které slouží ke sešroubování. Pro zlepšení vzhledu čelního panelu lze použít samolepící tapetu, jak je vidět u sestaveného prototypu.

spodní pohled na dno skříňky

Spodní strana skříňky

pohled na mechanickou část

Umístění transformátoru a ventilátoru v krabičcepohled na zadní stranu zdroje

Komponenty na zadní straně zdroje

Připojovací tabulky – celkové sestavení

Pájecí body pro připojení jednotlivých komponent čelního panelu a dalších součástí jsou očíslovány a označeny ve schematu i osazovacím plánu. Připojení jednotlivých prvků shrnují přehledně následující tabulky. Připojení komponent na čelním panelu je vyznačeno na výkresu (není v měřítku).

Deska zdroje

Přípojné místo Význam
X1 (1,2) AC z transformátoru
X2 (3,4) DC výstup zdroje (X2-2 +, X2-1 -)
5 Potenciometry nastavení napětí P1+P2
6 Potenciometry nastavení proudu P3+P4
7 Kolektory T4, T5
8 Báze T4, T5
9 Emitory T4, T5 (přes R26, R27)
10 Potenciometr nastavení napětí
11 Potenciometr nastavení proudu
12 Potenciometr nastavení napětí
13 Potenciometr nastavení proudu
14 - digitální panelové měřidlo (proud) – základní rozsah 199,9 mV
15 +digitální panelové měřidlo 1 (proud) – základní rozsah 199,9 mV
- Digitální panelové měřidlo 2 (napětí) – rozsah 199,9V, připojeno přímo k výstupním svorkám zdroje
Poznámka: přesné připojení potenciometrů je patrné z obrázku

Pozor, použitý transformátor ma sekundární vinutí spojena paralelně, ne seriově, jak by se někdo mohl domnívat. Je to z důvodu proudového posílení, tak aby zdroj byl bez problémů schopen dodat 3A. Pokud máte transformátor s jedním sekundárním vinutím 24V/3A neváhejte ho použít. Já takový neměl, proto jsem použil běžně dostupný typ ze seznamu
součástek s tím, že jsem sekundární vinutí spojil paralelně. To je možné u transformátorů s dvěma oddělenými sekundárními vinutími, ne tam, kde je vyveden pouze střed.

čelní panel - připojovací shcemaPřipojovací schema prvků čelního panelu

tranzistor - rozmístění vývodůObsazení vývodů výkonových tranzistorů

Umístění výkonových tranzistorů na chladiči a připojení tepelného čidla (výkonové rezistory R26, R27 jsou pájeny zespodu přímo na vývody T4, T5)

Deska teplotního spínače

Přípojné místo Význam
X1 AC 230 V (za vypínačem) (X1-1 L, X1-2 N)
X2 Napájení panelového měřidla 1 (9V – X2-2 +, X2-1 -)
X3 Napájení panelového měřidla 2 (9V – X3-2 +, X3-1 -)
X4 Připojení teplotního čidla KTY (nezávislé na polaritě)
X5 Připojení ventilátoru 12V ( X5-2 +, X2-1 -)

čelní panel - připojovací schema

Zapojení síťové části

Oživení a nastavení

Každou desku vyzkoušíme samostatně. Před připojením napájecího napětí  důkladně zkontrolujte osazení desek a odstraňte případné zkraty na plošném spoji.

Nastavení desky zdroje

Po připojení střídavého napětí na svorkovnici X1 změříme výstupní napětí a ověříme regulaci v rozsahu 0 – 30V. Na výstup zdroje připojíme výkonový rezistor např. 100Ω/10W v serii s ampermetrem na rozsahu alespoň 5A a ověříme regulaci proudu a funkci proudové pojistky. Pokud nemáte výkonový rezistor, je samozřejmě možné výstup zdroje přímo zkratovat, ale není to nejvhodnější řešení, jelikož zatím není jisté, že funguje obvod elektronické pojistky. Pomocí trimrů na měřicích modulech nastavíme zobrazované hodnoty podle přesného voltmetru /
ampermetru. Trimrem R29 můžeme doregulovat nulové výstupní napětí.

Nastavení desky teplotního spínače ventilátoru

Na desce teplotního spínače a zdrojů pro panelová měřidla je třeba změřit výstupní napětí pro panelová měřidla (9V) a nastavit teplotu spínání ventilátoru kolem 50 – 60°C trimrem R4.

Nastavení panelových měřicích přístrojů

Použité měřicí přístroje mají základní rozsah 199,9mV. V případě tohoto zdroje je proud měřen tímto základním rozsahem (prostřednictvím děliče na plošném spoji R23, R24, R25), který pro běžné použití vyhovuje – nastavíme desetinnou tečku pro zobrazení 0,00 A. Trimr R25 slouží ke kalibraci proudového měřidla podle referenčního ampermetru.

Napětí musí být měřeno na rozsahu 199.9V. To bohužel vnáší poměrně velkou chybu do měření napětí (měříme napětí pouze 0 – 30V na rosahu 199,9V). Pokud budete mít k dispozici měřidlo s rozsahem 100V nebo dokonce 30V s výhodou ho můžete použít. Nastavení děličů a desetinné tečky pomocí rezistorů a propojek na deskách měřidel je popsáno v manuálu který je dodáván k měřidlům, případně je ke stažení v sekci downloads pod článkem.

Bezpečnostní upozornění

Síťový vypínač musí být ve dvoupólovém provedení (musí přerušovat Li N), síťové vodiče vedoucí od konektoru v zadním panelu k vypínači na předním panelu by měly být uloženy ve zvláštní bužírce. Samozřejmostí je dodržení předepsaných barev vodičů a použití vodičů určených prosíťové napětí s dostatečným průřezem (1,0mm2).

Plastová skříňka musí být pro aplikace se síťovým napětím vyrobena z materiálu ABS, nestačí tedy obyčejná KP 14.

Poznámka: Fotografie osazené desky zdroje přesně neodpovídají zde zveřejněnému osazovacímu plánu, jde o fotografie prototypu. Zároveň se omlouvám za sníženou kvalitu fotografií.

Podklady pro výrobu

Obrazce plošných spojů, schemata a potřebné katalogové listy ve formátu pdf jsou v sekci download pod článkem.

Seznam součástek – deska zdroje

R1 2k2/2W
R2 82R
R3, R24 220R
R4 4k7
R5, R6, R13, R20, R21, R23 10k
R7, R8 1R2/5W RR W5-1R2
R9, R19 2k2
R10 270k
R11, R28 27k
R12, R18 56k
R14 1k5
R15, R16 1k0
R17 33R
R22 3k9
R25 5k (trimr ležatý např. CA6VK010)
R26, R27 0.47/5W RR W5-0.47R
R29 100k (trimr ležatý např. CA6VK100)
C1 4700uF/50V nebo C10, C11
C2, C3 47uF/50V
C4 100n
C5 220n CF1
C6, C9 100p
C7 10uF/50V
C8 330p
C10, C11 E2200M/50V (osazovaci varianta místo C1)
D1, D2, D3, D4 1N5408
D5, D6, D9, D10 1N4148
D7, D8 BZX83V005.6
D11 1N4007
D12 LED 5mm cervena 2mA
T1 BC548
T2 2N2219 nebo BC140-16
T3 BC557
T4, T5 2N3055
F1 F6,3A
IO1, IO2, IO3 TL081P
5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 11ks pajecí špička RTM1
X1, X2 ARK 500/2
P1, P3 PC1621NK010
P2+P4 PC1621NK001
Pojistkové pouzdro K21SW WITH COVER

Seznam součástek – deska spínače ventilátoru a napájení panelových měřicích přístrojů

R1, R2 10k
R3 1k
R4 10k (trimr ležatý např. CA9MVK010)
R5 4k7
R6 1M5
D1, D2 B250C1000DIL
D3 1N4007
C1, C2 470uF/25V
C3, C4, C5, C6 100n
F1 50mA (MST2-00,050)
IO1 LM358N
IO2, IO3 7809
T1 BC338, BC337
X1, X2, X3, X4, X5 ARK500/2
TR1 2x 12V 120mA (TRHEI030-2X12V)
Teplotní čidlo KTY10
Patice pojistky KS-SH166

Mechanické díly a ostatní součástky

Tr1 – toroidní transformátor 120VA 2x22V 95x47mm, (WLT120-22-2)
Chladič pro T4, T5 V7144
Chladič malý vějířovitý pro T2
Distanční sloupky 45mm mosazné DA5M3X45 4ks
Distanční sloupky 6mm nylon KDA6M3X06W 4ks
Distanční sloupky 10mm nylon KDA6M3X06W 4ks
Modul panelového měřidla HD-3129 2ks
Ventilátor 50x50x10mm, 12V KDE1205PFV1
Euro konektor (vidlice na panel) GSD3
Knoflíky na potenciometry P-S4824A 2ks, P-S4818A 2ks
Vypínač kolébkový dvoupólový s podsvětlením 230V např.: P-H8553VB01-R
Pojistkové pouzdro na panel PTF 70
Mřížka k ventilátoru LFTG1206
Krabička KP14 ABS

Značení součástek bylo převzato z katalogu GM electronic.

Použitá literatura

Download & Odkazy

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Můžete používat následující HTML značky a atributy: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>