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.

Jedná se o mírně upravené zapojení, pocházející ze serveru electronics-lab.com, jehož překlad byl uveřejněn před nedávnem i zde na HW serveru. Zapojení jsem mírně upravil, 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) zajišťuje 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.

Schema zapojení desky zdroje

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.

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.

Plošný spoj – deska 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 zajišťují ochranu napájeného zařízení v případě, že by z nějakého důvodu zmizelo záporné napájecí napětí. Zároveń se tento obvod uplatní při zapnutí napájení celého zdroje, kdy potlačí napěťovou špičku na výstupu.

Osazovací plán – deska 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.

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.

Schema zapojení spínače ventilátoru a zdroje pro měřicí moduly


Plošný spoj – deska spínače ventilátoru


Osazovací plán – deska spínače ventilátoru

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 síťový 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 strana skříňky



Umístění transformátoru a mechanických součástí ve skříňce



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

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.

Připojovací schema prvků čelního panelu



Obsazení 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

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

Oživení je třeba provádět za dodržení všech bezpečnostních zásad, pracujete na zařízení pod síťovým napětím!!!

Síťový vypínač musí být ve dvoupólovém provedení (musí přerušovat L i 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 pro síťové napětí s dostatečným průřezem(1,0mm²).

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

Podklady pro výrobu

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

Seznam součástek – deska zdroje

Seznam součástek – deska spínače ventilátoru a napájení panelových měřicích přístrojů

Mechanické díly a ostatní součástky

Značení součástek bylo převzato z katalogu GM electronic.

Použitá literatura

• http://www.electronics-lab.com/projects/power/003/index.html
• http://www.hw.cz/Teorie-a-praxe/Konstrukce/ART1438-Napajeci-zdroj-0-30V-s-regulovatelnym-proudem-2mA--3A.html

Downloads & Odkazy

• Archiv s podklady pro výrobu a katalogovými listy použitých součástí - zdroj.zip