Tento zdroj se skládá z jednotlivých bloků, které jsou na blokovém schématu obr. 1 a kterým se budu jednotlivě podrobně dále věnovat. Díky použití spínací technologie obvodu L4970A bylo možno dosáhnout parametru (0–35V/0–10A), při zachování minimálních rozměrů a nároků na chlazení. Zdroje s lineární technologií těchto parametrů dosahují pouze obtížně při velkých rozměrech, velké obvodové složitosti a hmotnosti, nehledě na to, že musí být navrženo výkonné a pečlivé zpracované chlazení jednotlivých komponent z důvodu vyzářeného tepla aktivními prvky.

Zdroj díky kvalitně navržené filtraci a odrušení dosahuje vynikajících hodnot výstupního zvlnění a stabilizace. Zdroj je navíc doplněn o obvod zpožděného připojení a řídící jednotku ventilátoru, které se starají o dlouhodobou spolehlivou funkci přístroje. Nedílnou součástí každého regulovatelného zdroje jsou měřící přístroje pro měření napětí a proudu, které jsou v této konstrukci použity se známým obvodem 7107, tato jediná součást je řešena formou hotové stavebnice s označením PVM7157HX firmy EZK Olomouc.

Síťová část zdroje je umístěna na samostatné desce plošných spojů, z důvodu oddělení síťového napětí od ostatních obvodů. Součástí síťové části je také napájecí zdroj pro doplňkové obvody s napětím +5V, -5V, +12V. Ze síťové části je vedeno napětí k výkonnému toroidnímu transformátoru o příkonu 400VA (35V/10A), který byl vyroben na zakázku do 30-ti dnů u firmy PS Electronic. Toroidní typ transformátoru má spoustu výhod, mezi které patří hlavně nízké magnetické rušení a trvalá zkratuvzdornost. Transformátor je v provedení s zalitým středem, takže jeho možnost připevnění do skříňky zdroje je zde řešena pomocí jednoho centrálního šroubu.

Za transformátorem následuje druhá deska plošných spojů, na které je umístěna výkonová vstupní část zdroje a třetí deska, na které je umístěna hlavní část zdroje s obvodem L4970A a proudová pojistka. Na deskách se nacházejí chladiče pro aktivní prvky, takže je nutné desku dobře připevnit ke skříňce, aby nedošlo k utržení chladičů a s tím poškození DPS. Chladiče jsou přišroubovány k DPS, navíc doporučuji fixovat silikonovým tavidlem včetně těžkých součástek a konstrukčních prvků. Desky tvoří celistvý blok, připojení jednotlivých vodičů je řešeno pomocí svorkovnic do DPS. Nesmíme opomenout dimenzovat propojovací vodiče z důvodu velkých tekoucích proudů v řádu jednotek ampér.

Zbývající dva bloky, které obsahují řídící jednotku ventilátoru a obvod zpožděného připojení jsou umístěny na malých DPS, jedná se o doplňkové obvody, které nejsou nutné pro samotnou funkci regulovatelného spínaného zdroje s obvodem L4970A a tudíž je můžeme popřípadě vynechat v sestavení konstrukce, především např. regulátor otáček ventilátoru. Je možno připojit ventilátory přímo ke zdroji +12V.

Pro měření proudu a napětí jsou určeny dva bloky 3 ½ místného voltmetru a ampérmetru s obvodem 7107 a LED displejem. Nejjednodušší a nejlevnější řešení je forma stavebnice PVM7157 HX, kterou nabízí firma EZK Olomouc za přijatelnou cenu a dokonce i v sestavené a oživené podobě(varianta HX). Navíc lze dokoupit krycí rámeček + plexi zelené barvy (displej se zeleným LED zobrazovačem).

Obr. 1 - Blokové schéma spínaného zdroje

Samotnou mechanickou konstrukci spínaného regulovatelného zdroje, nechám na každém z Vás, kdo se pustí do stavby tohoto zdroje. V mém případě jsem vsadil celý zdroj do kovové krabičky, která je sice méně vhodná pro úpravu otvorů na čelním panelu, pro odvětrávací otvory na horním díle skříně a v zadní stěně pro ventilátory, ale zdroj je pak robustní konstrukce, která zamezí případnému poškození a navíc se skříň podílí na chlazení komponent (toroidní transformátor). Největší problém je se samotnou mechanickou úpravou, kdy je potřeba dělat otvory do ocelového plechu o tloušťce 1mm povrchově upraveného černým komaxitem. Daleko jednodušší by bylo vsadit celý zdroj do daleko levnější a mechanicky zpracovatelnější plastové krabičky, ovšem celý komplet v plastové krabičce není chráněn mechanicky (např. při nárazu) a navíc se samotná krabička nepostará o chlazení komponent.

Na čelní panel umístíme měřidla proudu a napětí v podobě 3 ½ místného LED displeje s plexi rámečkem, regulační prvky (10otáčkový potenciometr Spectrol 534) pro nastavení napětí a omezení proudu, vypínač a výstupní svorky (výstup zdroje 0 – 35V / 0 – 10A), které musí být dimenzovány na tyto proudy. Na zadním panelu je umístěn EURO konektor pro přívod síťového napětí, hlavní vypínač, ventilátory pro odvětrávání skříně a chlazení komponent.

Všechny elektronické součástky, konstrukční a mechanické prvky vychází z katalogu firmy EZK Olomouc 2005/2006 (www.ezk.cz). Desky plošných spojů byly navrženy v programu Proteus AresLite a schémata v programu Proteus IsisLite firmy LabCenter (www.labcenter.com).

Spínaný zdroj s obvodem řady L497x – Teorie a popis

Spínané monolitické výkonové regulátory řady L497x jsou použitelné v zapojení zdrojů se snižujícím napětím (stepdown), což znamená, že vstupní napětí musí být vyšší než výstupní. Zdroje, osazené těmito obvody, se vyznačují vysokou účinností a možností měnit výstupní napětí jednoduše v rozsahu 5,1 až 40 V. Regulátor je realizován smíšenou BCD technologií a obsahuje výstupní DMOS tranzistor. Tím je dosaženo vysoké účinnosti a velmi rychlého mezního kmitočtu – pohybuje se od 200 až do 500 kHz.

Obr. 2 - Rozložení vývodů a jejich funkce u pouzdra MULTIWATT 15
 

Obr. 3 - Blokové schéma obvodů L497x

Tab. 1 - Mezní parametry obvodu L4970

Tab. 2 - Popis funkce jednotlivých vývodů obvodu L4970 (pouzdro Multiwatt15)

Všechny obvody řady L497x obsahují výstupy pro reset a hlídání poklesu vstupního napětí. Tyto výstupy jsou využitelné pro spolupráci s mikroprocesory. Dále obsahují oscilátor základního kmitočtu, obvody „měkkého startu“ (Soft-Start), zesilovač a komparátor, zdroj referenčního napětí 5,1 V a 12 V, nadproudovou ochranu, teplotní ochranu a výstupní DMOS výkonový tranzistor. Obvod zapne okolo 12 V s hysterezí 1 V. Externí kondenzátor Cboot je nabíjen z interní 12V reference a připravuje správné buzení pro gate výstupního DMOS tranzistoru. Budící obvod je schopen vybudit výstupní tranzistor a dodávat mu pulzní proud. Maximální frekvence pulzního proudu je 500 kHz u obvodů L4970. PWM regulační smyčka zahrnuje oscilátor, chybový zesilovač, komparátor a koncový stupeň. Chybový signál je vytvářen porovnáváním výstupního napětí s referenčním napětím 5,1 V. Tento signál se dále porovnává s interním oscilátorem hodinového kmitočtu a pomocí PWM řídí šířku pulzu pro budící stupeň výstupního tranzistoru. Znamená to, že kmitočet budícího signálu zůstává stejný a dochází pouze ke změně střídy. Zisk a stabilita smyčky je nastavena externím RC článkem zapojeným na výstup chybového zesilovače. Při správné funkci regulační smyčky je na pinu Fi (zpětná vazba) přítomno napětí 5,1 V. Počáteční chod obvodu při přivedení napájecího napětí zajišťuje obvod SoftStart s kondenzátorem Css. Kmitočet interního oscilátoru je dán přibližným vztahem fosc = 9 / (Rosc x Cosc). Proudové přetížení výstupu je chráněno omezovačem proudu (Current Limiter). Proudové čidlo tvoří interní odpor s kovovou vrstvou, který je připojen na vstup komparátoru. Teplotní pojistka je nastavena okolo 150 °C.

Obr. 4 - Základní zapojení obvodů řady L497x

Na obr. 4 vidíme základní zapojení obvodů řady L497x. Zpětnovazební smyčka feetback (Fi) je spojena přímo s výstupem, což zaručuje regulaci na referenční napětí 5,1 V, které je tedy přítomno i na výstupu zdroje. Odporový dělič, složený z R1 a R2 nastavuje úroveň, při které se překlápí výstup RST (signál RESET pro mikroprocesory). Kondenzátor C1 filtruje napájecí napětí, kondenzátory C2 a C3 filtrují výstupy napěťových referencí 5,1 a 12 V. Sérioparalelní zapojení kondenzátorů C6, C7 a rezistoru R3 tvoří obvod pro frekvenční kompenzaci, rezistorem R4 a kapacitou C8 nastavujeme operační kmitočet interního oscilátoru. Na výstupu 20 (out) je za provozu přítomno pulzní výstupní napětí, kterým je napájen vysokofrekvenční filtr, složený z indukčnosti L1 a kondenzátorů C12 až C14.

Energie, dodávaná výstupním tranzistorem je v tomto filtru akumulována a předávána výstupu. Pulzní regulace umožňuje výrazně snížit výkonovou ztrátu na výstupním tranzistoru, takže dochází ke znatelně menšímu ohřevu přechodu než u lineární stabilizace.

Princip pulzní regulace spočívá v akumulování energie do filtru, která však musí být z filtru odčerpávána minimálně nejmenším zatěžovacím odporem na výstupu zdroje. U těchto obvodů je minimální výstupní proud přibližně 200 mA. Jelikož maximální operační vstupní napětí pro obvody L497x je 50 V, mohou nastat případy, kdy musíme zpracovat vstupní napětí vyšší. Na obr. 5 je ukázáno, jak lze toto napětí zvýšit. Tranzistor TP se souvisejícími součástkami tvoří nezbytný předregulátor, který snižuje napětí na potřebnou úroveň. Jak vidíme ze základního zapojení, použití těchto obvodů je jednoduché, a proto vhodné jak pro profesionální, tak i amatérské použití.

Obr. 7 - Zvýšení vstupního napětí obvodu řady L497x

Plošný spoj je vhodné navrhovat jako oboustranný se spoji na straně A a stíněním na straně B. Zem je rozdělena na dvě části – pracovní a výkonovou. K pracovní zemi jsou vztaženy veškeré součástky okolo IO kromě součástek výstupního filtru. Výkonovou zemí teče proud ze vstupu na výstup. Oba zemní spoje jsou potom spojeny na výstupu zdroje (obr. 4 a 5 ). Spoj zpětné vazby (Fi) je nutno zavést až k výstupu, protože toto napětí zdroj reguluje a jakýkoli úbytek na výkonové cestě způsobí nestabilitu výstupního napětí. Jako materiál se doporučuje samozhášivý FR4 s tloušťkou mědi 70 μm. Veškeré spoje musí být navrženy co nejkratší. Proudové spoje navrhujeme s ohledem na oteplení vlivem úbytku napětí na spojích.

Minimální výstupní proud odebíraný ze zdroje je 200 mA. Při odběru menšího proudu není energie odebírána z výstupního filtru a zdroj nedává patřičné napětí na výstupu. Toto je však vlastnost všech spínaných zdrojů. Je-li nutno na přechodnou dobu při trvalém chodu zdroje odebírat nižší proud než zmíněných 200 mA, je nutno zatížit výstup trvale patřičným odporem.

Kmitočet oscilátoru závisí na toleranci použitých součástek v obvodu oscilátoru, kde je nutno použít stabilní součástky s minimální závislostí na teplotě. Totéž se týká součástek v obvodu frekvenční kompenzace. Výstupní pulzní energie z IO1 je zpracována filtrem, složeným z L1 a C12 až C15. Paralelní spojení kondenzátorů C13, 14 a 15 redukuje výslednou indukčnost. Zvláštní pozornost zasluhuje cívka vinutá na kvalitním jádru, odpovídajícím svými vlastnostmi kmitočtu a výkonu. Lze použít jádro MAGNETICS 58310, na které navineme izolovaný drát o průřezu, který musí být dimenzován na procházející proud 10A. Všechny použité rezistory jsou s kovovou vrstvou, kondenzátory pokud možno fóliové. Elektrolytické kondenzátory jsou standardní, radiální, pro minimální napětí 35 V.

V případě požadavku na regulaci napětí od 0V, je nutné snížit úroveň vnitřní reference z 5,1V na 0V, toho lze dosáhnout zavedením záporného referenčního napětí -5V na vstup (pin 3, 8). Vše je zobrazeno na obrázku obr. 6 .

Obr. 6 - Regulace napětí od 0V zavedením záporné reference -5V

Zatímco dnes jsme si popsali teoretický úvod spínaného zdroje, přístě se již budeme věnovat rovnou vlastní konstrukci.

Download & Odkazy

• Domovská stránka autora - http://michal.slansky.sweb.cz/