Vzhledem k tomu, že se dosti aktivně zajímám o konstrukce napájecích zdrojů pro výkonové zesilovače, dále pak pro konstrukce spínaných a lineárních zdrojů, tak jsem se pustil do návrhu a následující konstrukce lineárního napájecího zdroje s parametry řadícími tuto konstrukci do kategorie „laboratorní“, především díky rozsahu regulace napětí v rozsahu 0V – 30 (35V), dovolenému proudovému odběru maximálně 30A, kdy je možno navíc zvolit odběr napětí přímo ze zdroje, kdy není proudový odběr nijak omezován až do hranice 30A (vnitřně konstrukčně omezen), tak i odebírat napětí přes proudovou pojistku s proudovým omezením v rozsahu 15mA – 20A(30A). Tyto parametry samozřejmě doplňuje vynikající odrušení, velmi malé zvlnění výstupního napětí a stabilita nastavení výstupního napětí. Zdroj je navíc schopen pracovat  s velkými výstupními proudy i při nastavení minimálního výstupního napětí, díky navržené funkci volby napětí transformátoru ve spolupráci s komparačním obvodem 15V/30V.    

U každého laboratorního zdroje samozřejmě nesmí chybět digitální 3½ místná měřidla napětí a proudu tvořená moduly PMV7115HX firmy EZK. Navíc jsem se rozhodl tuto konstrukci doplnit o zdroj symetrického napětí s možností volby výstupního napětí (±9V,±12V,±15V,±18V) s povoleným max. proudovým odběrem 3A. Celá konstrukce je doplněna o řadu pomocných obvodů, mezi které patří např. řídící jednotka ventilátorů pro spolehlivé chlazení aktivních polovodičových prvků zdroje a v případě tepelného přetížení automaticky odpojí výkonovou větev obvodem TEMP PROTECT, jak je znázorněno na blokovém schématu.

Chlazení je řešeno trojicí ventilátoru na chladiči s teplotním odporem 0,9K/W, kdy jsou postupně připojovány ve dvou stupních (1.stupeň – 1x FAN; 2.stupeň – 2x FAN), navíc jsou regulovány otáčky jednotlivých ventilátoru a udržovány minimální otáčky pro minimální cirkulaci vzduchu mezi žebry chladiče CHL1. Při malých proudových odběrech, kdy jsou tepelné ztráty zanedbatelné, jsou ventilátory v klidovém režimu, neruší hlukem a nezanáší do přístroje zbytečně prach nasáty přes ventilátory s okolí.

Díky obvodové složitosti celé konstrukce, bylo potřeba zajistit více napájecích napětí pro jednotlivé funkční bloky, proto je ve zdroji zařazen blok „Pomocné napájení“ (+5V,+12V,+15V,+18V,-9V,-15V). Pro bezproblémové spuštění tohoto laboratorního zdroje bylo potřeba vyřešit pomalý náběh přístroje obvodem „SOFT“ START, díky kterému se během 1 – 2s zdroj uvede do plného provozu bez větších problémů s vypínáním jističů v síti (velký toroidní transformátor + filtrační kapacita ® obrovský nárazový proud). Navíc díky postupnému spuštění zdroje jsou méně namáhány polovodičové prvky (diodový můstek a výkonové tranzistory) a elektrolytické kondenzátory (filtrační kapacita).

Síťová část laboratorního zdroje 0-30V/30A

Síťové napětí přivádíme přes hlavní dvojitý vypínač zdroje VYP1 (SSK1553 RED01) umístěný na čelním panelu zdroje na trojitou svorkovnici CONN1 (CKK5/3), následuje pomalá tavná pojistka F1 (PP6 T7,5A) v pouzdře DP1 (DP10P) s indikačním obvodem a dvojicí LED Q6 a Q7, jedna slouží k indikaci zapnutí přístroje Q7 a druhá Q6 indikuje přerušení tavné pojistky. LED diody jsou napájeny přes omezovací rezistory a foliové kondenzátory typu CFAC/X2, zenerovy diody omezují napětí pro LED. R30, D11 a R33, D12 jsou děliče napětí pro LED s funkcí stabilizace a zároveň usměrňovače napětí. Při zapnutí síťového napětí jsou obě LED napájeny, rozsvítí se LED Q7 (zelená) a zároveň se otevře tranzistor T11, který „zkratuje“ přemostí LED Q6 (červená) a zamezí její rozsvícení, tato situace nastane pouze za předpokladu, že je tavná pojistka F1 v pořádku. V případě přetavení pojistky přestane téct proud přes R32, R33 a C32, zhasne LED Q7 a uzavře se tranzistor T11, díky tomu se může rozsvítit LED Q6, která signalizuje svitem přerušení pojistky. Všechny součástky musí být dimenzovány na síťové napětí 230V.

Za pojistkou je zařazen výkonový varistor VAR1 (V250LA40 – UBmax=250V; IMAX=6500A; EMAX=130J), ten slouží k omezení přepětí v síti a ochrání před údery blesku do vedení. V případě zvýšení napětí nad dovolenou mez varistoru dojde k nedestruktivnímu zapálení varistoru a během několika μs dojde k pohlcení zkratové proudu a přetavení pojistky F1. Tento varistor není pro samotnou funkci přístroje nutný, ale ochrání především všechny polovodičové součástky ve zdroji a jeho cena je zanedbatelná (15,-Kč) oproti např. poškozeným výkonovým tranzistorům a integrovaným obvodům v laboratorním zdroji.

Následuje filtr s kondenzátorem C34 (1μF/CFAC/X2), dvojitá toroidní feritová kompenzační tlumivka L1a, L1b (1,8mH/RSDH42H3260). Dále ochranný rezistor R34 (100kΩ/R0414), který v případě vypnutí přístroje okamžitě vybije kondenzátory C34, C35, C36 a C37. Následují dvě jednoduché toroidní tlumivky L2, L3 (150µH/V32A6) pro potlačení symetrického rušení.
Dále kondenzátor C35 (1μF/CFAC/X2) pro potlačení asymetrického rušení a dvojice Y kondenzátoru C36, C37 (2,7nF/CFAC), která zvyšuje účinky odrušení tlumivek L2 a L3 (150µH/V32A6). Tento filtr je aplikován s účelem co největšího odrušení vstupního síťového napětí 230V a zároveň odrušení samotného laboratorního zdroje.

Síťový filtr je konstruován jako dolno-frekvenční propust, která způsobuje odraz vysokofrekvenčního rušení zpět ke zdroji. Pro potlačení asymetrického rušení se používají feritové kompenzované tlumivky spolu s X kondenzátory, pro potlačení symetrického rušení pak Y kondenzátory, které se pro zvětšení účinku mohou doplnit jednoduchými železoprachovými tlumivkami.

Jelikož je ve zdroji použit toroidní transformátor velkého výkonu (1200VA) a za transformátorem je zařazena velká filtrační kapacita deseti elektrolytických kondenzátorů (10x 4700µF), je potřeba zamezit obrovským zapínacím proudů, které zcela bez problémů vypnou domovní zásuvkové jističe 10A. Při zapnutí transformátoru 1200VA se zařazenou vybitou filtrační kapacitou na sekundární straně transformátoru (znamená pro sekundární vinutí a celý transformátor „zkrat“), dosahují spouštěcí proudy bez problémů hodnoty cca. 50A. Tento problém lze jednoduše vyřešit postupným spouštěním za pomoci zařazeného výkonového drátového keramického rezistoru do primárního okruhu toroidního transformátoru a zpožďovacího obvodu („SOFT“ START) s relé REL4 (F4052-12). Tento obvod zajistí při zapnutí, připojení transformátoru přes čtveřici výkonových drátových rezistorů (R35–R38 - 10Ω/TR9W) řazených sériově, které mají celkový odpor 40 ohmů. Tyto rezistory s celkovou hodnotou 40 ohmů omezí spouštěcí proud na přijatelnou mez s hodnotou 5,75A. Tyto rezistory jsou v primární větvi zařazeny po dobu 1 – 2s, na rezistorech vzniká tepelná ztráta 1300W, proto musíme zkrátit startovací dobu na co nejkratší čas, rezistory jsou samozřejmě ve výkonovém drátovém provedení v keramickém pouzdru (TR9W - 10Ω/9W). Po uplynutí doby 1 – 2s jsou rezistory přemostěny kontakty relé REL4 (F4052-12). Touto funkcí zajistíme pomalé spuštění toroidního transformátoru TR1 a především pomalé nabití velké filtrační kapacity elekrolitických kondenzátorů (10x 4700µF).

Za obvodem „SOFT“ START je zařazeno odpojovací relé REL1 (F4052-12), které plní funkci „TEMP PROTECT“, kontakty jsou trvale připojeny v primárním okruhu, pouze v případě tepelného přetížení je přivedeno na relé REL1 ovládací napětí 12V s řídící jednotky chlazení a relé odpojí primární okruh od toroidního transformátoru, tím dojde k vypnutí výkonové větve zdroje a zamezí se poškození výkonových prvků tepelným přetížením. Po ochlazení chladičů na přijatelnou mez, se opět zdroj uvede automaticky do provozu schopného stavu, tento stav je signalizován LED Q8.

Před obvodem „SOFT“ START je vyvedeno síťové napětí 230V pro napájení obvodu „Pomocné napájení“. S tohoto obvodu je napájen celá konstrukce  laboratorního zdroje. Jeho výstupní napětí jsou: +5V, +12V, +15V, +18V, -9V, -15V s povoleným celkovým odběrem 400mA jak v kladné, tak i záporné větvi symetrického zdroje. 

Obvod „SOFT“ START je napájen s pomocného napájení napětím +12V. Napětí je filtrováno kondenzátorem C38 (470µF/25V), paralelně je připojen rezistor R39 (10kΩ/R0207), který zajistí rychlé vybití kondenzátoru C38 při rychlém opakovaném spouštění laboratorního zdroje. Sériová kombinace P7 (500kΩ/PT10LV) / C39 (47µF) zajišťuje časové zpoždění pro připojení k síti v rozmezí 1 – 2s. Kondezátor C39 se začne postupně nabíjet. Spínací tranzistor MOSFET BUZ11 v pouzdru TO220 se začne otevírat při napětí UGD asi 3V až 3,5V.
Jakmile začne tranzistorem T13 (BUZ11) procházet proud, vzniká úbytek napětí na cívkách dvou relé REL3 a REL4. V okamžiku, kdy napětí na relé dosáhne asi 0,7V, se otevře tranzistor T12 (BC558B), který způsobí rychlé nabití kondenzátoru C39 a tím i úplné otevření tranzistoru T13. Tento „klopný efekt“ zabraňuje pomalému nárůstu napětí na relé a možným problémům s přítahem. Dioda D14 (1N4007) slouží jako ochrana proti napěťovým špičkám, indukovaným v cívkách relé REL3 a REL4. Dioda D13 (1N4007) zajišťuje vybití kondenzátoru C39 (47µF) po odpojení napájecího napětí a vybití kondenzátoru C38 (470µF). Ten je navíc přemostěn pomocným odporem R39 (10kΩ), který zajistí rychlejší úplné vybití C38 v případě rychle se po sobě opakujících zapnutí a vypnutí laboratorního zdroje.

Kontakty relé přemostí čtveřici výkonových drátových rezistorů R35 – R38 (10Ω/TR9W), které jsou zapojeny do série s primárním vinutím síťového toroidního transformátoru TR1. Sériové odpory jsou keramické drátové na povolené zatížení 9W. Výkonová ztráta na odporech po zapnutí je asi 1300W, ale s postupným nabitím filtračních kondenzátorů toto zatížení zdroje rychle klesá a asi po 1 až 2 sekundách jsou tyto odpory přemostěny kontakty relé REL4 (F4052-12). Relé REL3 plní funkci připojení filtrační kapacity až po nabití kondenzátorů, tím jsou omezeny napěťové špičky v regulačních obvodech a na výstupu "laboratorního" zdroje.  

Schéma síťové části zdroje

Toroidní transformátor 1200VA

Toroidní transformátor se zalitým středem s centrálním otvorem (šroubem) pro snadné uchycení, opatřený stíněním mezi primárním a sekundárním vinutím s nižší hlučností a magnetickým rozptylem.

Toroidní transformátor má následující parametry: průměr 190mm, výška 120mm a hmotnost cca. 10kg, vstupní napětí (PRIM) 230V, výstupní napětí (SEK1) 15V/30A, (SEK2) 15V/30A, (SEK3) 20V/3A, (SEK4) 20V/3A a celkový výkon transformátoru 1200VA.

Proč toroidní transformátor?

Transformátory na jádrech EI jsou oproti toroidním charakterizovány větší váhou, rozměry, větším rozptylovým polem a "měkčím" napětím, ovšem také poněkud nižší cenou. U větších příkonů (nad 400VA) se už ovšem rozdíly v ceně obou typů stírají, kolem příkonu 1000VA jsou už toroidní transformátory levnější a naopak EI transformátory pro své rozměry a váhu nepoužitelné.

Toroidní transformátor je proti typu EI podstatně lehčí, menší, je-li správně navržen a vyroben, má minimální rozptylové pole, a protože celková délka drátu vinutí je u tohoto druhu podstatně kratší, dávají poměrně "tvrdé" napětí i při mírném krátkodobém přetížení, které tento typ transformátoru (vinutí je krátké a dobře chlazeno) beze škod snáší.

Toroidní transformátor jsem si nechal vyrobit u firmy PS electronic, s.r.o (http://www.pselectronic.cz), zakázku vyrobily do třiceti dnů ve špičkové kvalitě, dle požadovaných parametrů.

Schéma toroidního transformátoru

Na následujícím obrázku je vidět zapojení relé REL1 (teplotní přetížení) včetně popisu jednotlivých vývodu relé, toroidní transformátor TR1 je připojen přes svorkovnice CONN2 (CKK5/3) – primární vinutí; CONN3 (CKK5/3) – sekundární vinutí (2x15V/30A); CONN7, CONN8 (CZM5/2) – sekundární vinutí (2x20V/3A) pro napájení symetrického zdroje. Dále je zde znázorněno přepínací relé REL2 (F4052-12) pro obvod komparátoru 15V/30V. Vzhledem k velkým tekoucím proudům přes kontakty relé REL2 jsou kontakty zdvojeny.

Vstupní část laboratorního zdroje 0-30V/30A

Na vstup výkonového diodového usměrňovače BR1 (KBPC5006F) přivádíme střídavé napětí ze sekundárního vinutí výkonového toroidního transformátoru TR1, toto napětí má hodnotu 15V~/30V~, dle stavu komparačního obvodu. Při zapnutí zdroje je relé REL2 (F4052-12) v klidovém stavu (není ovládací napětí 12V pro relé), po provedení „SOFT“ STARTu se porovná nastavené napětí zdroje s komparačním napětí (Ukomp. = 15V), pokud je nastavené výstupní napětí nižší než komparační, tak se stav relé REL2 (F4052-12) nemění a obě sekundární vinutí (SEK1, SEK2)  jsou řazena paralelně, naopak pokud je nastavená úroveň výstupního napětí vyšší, je stav komparátoru překlopen a relé REL2 přepne sekundární vinutí do sériového řazení, kdy posléze obdržíme na vstupu usměrňovače BR1 střídavé napětí 30V.

Toroidní transformátor o výkonu 1200VA je schopen trvale dodávat proud do zátěže 30A,  proto musí být všechny součástky na tyto velké proudy dimenzovány. Hlavně musíme věnovat pozornost desce plošných spojů DPS, kde všechny cesty, kterými prochází tyto velké proudy, musí být zesíleny (nejlépe pokoveny vrstvou HAL, nebo alespoň pocínovány). K propojování jednotlivých prvků zdroje je nutné bezpodmínečně použít vodiče co největšího průřezu, tedy min. 2,5mm², lépe 4 - 6 mm². Stejně dimenzovaný vodič je dobré použít i k propojení společných pólů filtračních kondenzátorů. Při návrhu desky plošných spojů DPS použijeme materiál FR4 s celkovou tloušťkou 2 - 2,5mm, možno i 3mm a tloušťkou měděné fólie minimálně 70µm, ale doporučuji 105µm (příplatek 30% za výrobu) při větších vzdálenostech vývodů kondenzátorů je vhodné ještě spoje posílit připájením plného vodiče s průřezem 2,5 - 4 mm² (odizolovaný elektroinstalační vodič CY). Výrobu DPS jsem předal firmě SEMACH (http://www.semach.cz).

Ze vstupu je vedeno střídavé napětí přes odrušovací polyesterový kondenzátor C1 (10nF/MKS4) k diodovému usměrňovacímu můstku BR1 (KBPC5006F), který má ke každé diodě přiřazený polyesterový kondenzátor C2-C5 (220nF/MKS4). Tyto kondenzátory zamezují pronikání vysokofrekvenčního rušení dále do obvodu. K jednotlivým diodám usměrňovače je vhodné paralelně připojit kondenzátory, jejichž velikost není možno jednoznačně určit - závisí totiž na vnitřním odporu sekundárního vinutí transformátoru, na typu usměrňovače či diod a také hlavně na odebíraném proudu. Kondenzátory omezují rušení, vznikající otvíráním a zavíráním diod, jejich velikost se může pohybovat od 10nF do 470nF a stejnosměrné provozní napětí těchto kondenzátorů by mělo být asi čtyřnásobkem sekundárního napětí transformátoru. Provedení těchto odrušovacích kondenzátorů by mělo být bezindukční, u menších kapacit tedy keramické na napětí 250-500V a u vyšších kapacit fóliové v bezindukčním provedení. Připojením běžných kondenzátorů, které nemají potlačenu vlastní indukčnost se totiž úroveň rušení z diod ještě zvýší. Diodový můstek BR1 (KBPC5006F) v pouzdru KBPC je nutné bezpodmínečně umístit na společný chladič zdroje CHL1 (CHL32C/80 – 0,9K/W), na můstku vzniká tepelná ztráta především při průtoku větších proudů. Můstek KBPC5006F má na každé diodě úbytek napětí 0,85V, to znamená, že při proudech 30A dosáhne tepelná ztráta na můstku až 25W (35W).

Následuje velká filtrační kapacita tvořená deseti elektrolytickými kondenzátory C6-C15, každý o hodnotě 4700μF/50V (SNAP-IN). Kondenzátory zdroje musí být kapacitně i proudově dimenzovány tak, aby měly i při tomto mezním stavu v zásobě dostatek energie a také musí být schopny tuto energii v případě potřeby laboratornímu zdroji rychle a bez průtahů odevzdat, síťový transformátor a usměrňovač zase musí být schopny rychle kondenzátory dobít. Rychlost nabíjení a odevzdávání energie zase souvisí s konstrukcí kondenzátorů, jejich vnitřní impedancí, celkovou koncepcí. Každý elektrolytický kondenzátor je charakterizován souborem vlastností, které jej předurčují k určitému použití. U elektrolytických kondenzátorů v běžných, lineárních napájecích zdrojích nás kromě jmenovité kapacity, maximálního provozního napětí a dalších údajů musí zajímat také maximální nabíjecí a vybíjecí proud, který je v katalogových listech seriózních výrobců vždy uveden a je víceméně předem dán vlastní konstrukcí kondenzátoru.

Z dalších důležitých údajů uveďme rozsah pracovních teplot kondenzátoru a maximální zbytkový proud. Nezanedbatelný svodový proud teče každým elektrolytickým kondenzátorem s hliníkovými elektrodami a běžným dielektrikem, jeho velikost je dána čistotou materiálů, použitých při výrobě, kvalitou elektrolytu, dielektrika a v neposlední řadě také tzv. formováním kondenzátoru. S výjimkou malých napájecích zdrojů jsou do výkonnějších zdrojů zcela nevhodné radiální i axiální kondenzátory s drátovými vývody, a to i značkové. Přestože mohou mít pro naše účely vhodnou kapacitu i provozní napětí, nejsou dimenzovány pro větší nabíjecí a vybíjecí proudy. Při jejich použití ve spojení s výkonným transformátorem a usměrňovačem dojde velmi brzy k poškození tenkých vnitřních přívodů ke svitku a úplné ztrátě kapacity. Vyhovující pro naše účely jsou radiální kondenzátory s vývody typu SNAP-IN!!.

U takto velké kapacity je potřeba zajistit po vypnutí zdroje rychlé vybití těchto kondenzátorů, proto je dále zařazen drátový keramický výkonový rezistor R1 (220Ω/TR9W), který spolehlivě tyto kondenzátory rychle vybije. Tento rezistor je drátový výkonový, neustále ním protéká proud 0,19A, takže výkonová tepelná ztráta činí 7,9W při napětí 42V. Navíc je v napájecí větvi zařazen keramický odrušovací kondenzátor C16 (220nF/ker.)

Velice důležitou částí je před-stabilizátor tvořený výkonovým tranzistorem T1 (MJ11016 – UCE=120V; IC=30A; PTOT=200W, TO3) a zenerovou diodou D2 (BZX85V033; 1,4W; DO41). Tato část je nutná z důvodu velkého napětí za usměrňovačem (40 – 42V  ss.), toto napětí je nepřípustné pro hlavní stabilizační obvod IO1 (LM338K). Zenerova dioda D2 o hodnotě 33V a výkonový tranzistor T1 (MJ11016) přizpůsobí toto napětí na dovolenou mez (cca. 32 – 33V  ss.). I přesto, že tento před-stabilizátor snižuje napětí o 7-9V, vzniká na tranzistoru T1 tepelná ztráta, díky velkým tekoucím proudům v řádu jednotek ampér, maximálně 30A. Proto je tento tranzistor umístěn na společném chladiči zdroje CHL1 (CHL32C/80) s teplotním odporem 0,9K/W, takže teplota vzroste maximálně na 55°C, při maximálním výkonu zdroje (odběry proudu I=30A). Navíc před-stabilizátor s T1, D2 je doplněn o elektrolytický kondenzátor C17 (10µF/50V), který v obvodu vytváří spolu s tranzistorem T1 násobič kapacity (násobek je dán zesílením tranzistoru).

Následuje v obvodu zařazené relé REL3 (F4052-12), které sepne své kontakty až po určité době (1 – 2s) od zapnutí zdroje, vše je řízeno obvodem „SOFT“ START. Toto zpoždění je důležité pro formátování velké filtrační kapacity elektrolitických kondenzátorů (47 000μF) a ustálení napětí na filtru. Za kontakty relé REL1 (F4052-12) je zařazen RC obvod (R4/C19), který blokuje výstup zdroje v okamžiku sepnutí relé. Kontakty relé musí být dostatečně dimenzovány na tekoucí proudy při případném sepnutí, proto jsou zapojeny "zdvojeně" paralelně. Na výstup obdržíme stejnosměrné filtrované napětí o hodnotě 33V/30A.

Co se týká samotného osazení tohoto bloku zdroje, neměli bychom se setkat s problémy, osazujeme velké a těžké součástky, takže doporučují součástky fixovat silikonovým tavidlem. Po osazení je nutné zkontrolovat pájená místa. Při vzniku „studených“ spojů by se při průtoku velkých proudů deska plošných spojů dosti zahřívala a hrozil by požár. Na tomto bloku se nemusí nic nastavovat, pracuje ihned po zapojení, jen je nutné zkontrolovat výstupní napětí multimetrem, pro kontrolu funkce před-stabilizátoru. Po kompletní montáží všech součástek a testech celého zdroje zkontrolujeme teplotu chladičů při plném zatížení. K propojování jednotlivých prvků zdroje je nutné bezpodmínečně použít vodiče co největšího průřezu, tedy min. 2,5mm², lépe 4 - 6 mm2. Deska plošných spojů DPS je použita s materiálu FR4 s celkovou tloušťkou 2 - 2,5mm a tloušťkou měděné fólie 70µm, všechny cesty plošných spojů je vhodné ještě posílit připájením plného vodiče s průřezem 2,5 - 4 mm² (odizolovaný elektroinstalační vodič CY).

Schéma vstupní napájecí časti zdroje

Hlavní regulační část laboratorního zdroje 0-30V/30A

Tento blok je srdcem celého laboratorního zdroje, jako regulační a stabilizační součástka byl zvolen integrovaný obvod IO1 (LM338K) v pouzdře TO3, tento stabilizátor dokáže pracovat s maximálním výstupním proudem 5A, rozsah regulace výstupního napětí je omezen v rozsahu +1,2V až +32V, v této konstrukci je využito zapojení, kdy na vstup ADJ (pin1) je přivedeno záporné napětí -1,2V. Tím je posunuta operační země GND pro IO1 (LM338K) a tím je umožněna možnost regulovat výstupní napětí od nulové hodnoty. Povolené vstupní napětí IO1 má hodnotu 35V. Linearita regulace výstupního napětí má hodnotu 0,005% / V. Pouzdro IO1 (TO3) má funkci OUT (pin2), proto při montáží na společný chladič s ostatními polovodičovými prvky (tranzistory T4,T5,T6) je potřeba oddělit pouzdro IO1 slídovou, doporučuji silikonovou podložkou.

Protože od zdroje očekáváme vyšší výstupní proud s hodnotou 30A, je potřeba integrovaný obvod IO1 (LM338K) proudově podpořit trojicí výkonových PNP tranzistoru T4,T5,T6 (MJ15004) v pouzdře TO3 s mezními parametry UCE=140V, IC=20A, Ptot=250W. Stačili by samozřejmě pouze dva tranzistory, ale v konstrukci je počítáno především s rozdělením tepelného ztrátového výkonu mezi jednotlivé tranzistory. Zapojení s posilujícími tranzistory vychází z doporučeného katalogového zapojení obvodu LM338K firmy SGS-THOMSON. Takto navržené zapojení je ovšem velice choulostivé na zkrat na výstupu zdroje, téměř okamžitě by došlo k poškození výkonových tranzistorů T4, T5, T6. Proto je zapojení zdroje rozšířeno o proudový omezovač s tranzistorem T3 (BD240C) nastavený na mezní proud s hodnotou 30A, který je ještě doplněn o tranzistor T2 (BC557C) s indikační LED Q3 v kolektoru tranzistoru. LED Q3 červené barvy signalizuje nastupující proudové omezení. Informace o proudovém přetížení je získaná ze snímacích rezistoru R13 – R16 (čtveřice paralelně řazených rezistoru 0,1Ω/TR9W) s výslednou hodnotou 0,025Ω.

Schéma hlavní regulační časti zdroje

Pro rovnoměrné rozložení proudu na výkonových tranzistorech T4,T5,T6 (MJ15004) jsou zařazeny v kolektoru každého tranzistoru dvojice rezistoru (0,1Ω/TR9W) R17 – R22 s celkovým odporem 0,05Ω. V případě zkratu na výstupu zdroje by došlo k poškození IO1 (LM338K) díky vybití kondenzátoru C23, C24 a C25 přes vnitřní obvody IO1 (LM338K), proto jsou zařazeny podle katalogového zapojení ochranné diody D4, D5 (1N4007), které v případě zkratu na výstupu pohltí náboj kondenzátorů a ochrání IO1 (LM338K). Ve výstupní části je doporučeno používat kvalitní kondenzátory, proto jsou v zapojení použity kvalitní tantalové kondezátory a navíc se nedoporučuje příliš zvyšovat kapacitu na výstupu zdroje. Pro správnou a spolehlivou funkci stabilizace IO1, je nutné zaručit trvalý výstupní proud min. 15mA, v této konstrukci je zvolen zatěžovací proud 50mA díky dvojici paralelně řazených rezistoru R10,R11 (100Ω/TR9W), tyto rezistory musí být ve výkonovém provedení, neboť na rezistorech vzniká maximálně tepelná ztráta 5,5W.

Na výstupu zdroje jsou anti-paralelně zapojeny dvě diody D6,D7 (P1000K), které ochrání zdroj v případě přepólování připojené zátěže na výstupu, pokud tato situace nastane, dojde k přetavení pojistky F3 (AL30A). Pro tak velké proudy se již klasické pojistky nevyrábějí, proto jsou v zapojení použity automobilové fastonové pojistky. Celá regulační část je samozřejmě jištěna i na vstupu tavnou pojistkou F2 (AL30A).

Samotné nastavení výstupního napětí je provedeno 10-otáčkovím potenciometrem P1 typu 534 firmy Spectrol s hodnotou 5kΩ. Můžeme samozřejmě použít i dvojici potenciometru, jeden pro hrubé (5kΩ) a druhý pro jemné (500Ω)nastavení.

Pro do-nastavení (omezení) maximální úrovně výstupního napětí slouží odporový trimr P2 (2k5/PT10LV) a pro minimální úroveň výstupního napětí slouží odporový trimr P3 (2k5/PT10LV). Odporový dělič je napájen ze zdroje záporného napětí. Napětí je stabilizováno obvodem D3 (LM385Z/1,2) na hodnotu -1,2V.

Všechny výkonové prvky je nutné umístit na dostatečně dimenzovaný hliníkový chladič s minimálním teplotním odporem 1K/W. V mém případě jsem použil chladič typu CHL32C/80 (250 x 32 x 80mm; 0,9K/W) doplněný o nástavec typu AL5060 (250 x 50 x 60mm; 3,0K/W) pro polovodičové prvky s pouzdry TO3. Chladič je doplněn o trojici výkonných ventilátoru KDE1208-PTS3 (12V; 120mA; 2300rpm; 25dB; 50m³/h). V této konfiguraci dosahuje hodnota tepelného odporu 0,6K/W. Ventilátory jsou ovládány s řídící jednotky chlazení, ventilátory pracují ve dvou stupních, spolu s regulací otáček každého ventilátoru dle aktuální teploty chladiče a okolí, navíc jsou udržovány minimální otáčky, které zajistí minimální cirkulaci vzduchu mezi žebry chladiče a uvnitř skříně laboratorního zdroje.

Nákres chladiče s ventilátory + osazení

Co se týka teoretické funkce regulačního obvodu, tak je zde následující popis: Stoupne-li odběr nad cca. 35mA, proud tekoucí do stabilizátoru IO1 (LM338K) vytvoří na rezistoru R8 (22Ω) úbytek napětí, který otevírá výkonové tranzistory PNP T4,T5,T6 (MJ15004). Část proudu potom, podle stupně otevření těchto tranzistorů, protéká touto cestou mimo stabilizátor. Hodnota rezistoru R8 je dána Ohmovým zákonem: R = U / I, kde U je napětí nutné pro otevření tranzistorů (0,65-0,75V), tedy úbytek napětí na rezistoru, a I proud protékající rezistorem, při kterém se mají výkonové tranzistory otevírat. Výkonová ztráta rezistoru je pak dána součinem napětí a proudu: P = U x I. Tranzistor T3 (BD240C) a rezistory R13 až R16 tvoří proudový omezovač. Jestliže proud do emitorů T4, T5, T6 vytvoří na R13 až R16 úbytek větší než cca. 0,8V, začne se T3 otevírat a snižovat tak napětí na přechodu E-B výkonových tranzistorů, čímž dochází k jejich zavírání, takže hodnota proudu nepřesáhne nastavenou velikost. I zde platí pro výpočet Ohmův zákon R = U / I, avšak vzorec pro výpočet výkonové ztráty rezistoru je zde nanejvýš důležitý. Protože však rezistory takto malých hodnot s velkou výkonovou ztrátou nejsou obvykle k dostání, je nutné zařadit více odporů paralelně. Výsledná hodnota je pak dána vztahem: 1/R=1/R1+1/R2+1/R3+1/R4. V mém případě je hodnota paralelně zapojených rezistorů R13 až R16 pro proud 30A přibližně 0,025Ω. Tato hodnota se dá sloužit ze čtyř drátových rezistorů TR9W s hodnotou 0,1Ω. Protože celkové výkonové zatížení  těchto rezistorů je značně velké, přibližně 22,5W, zvolil jsem čtveřici rezistorů, každý s dovoleným ztrátovým výkonem 9W.

To všechno platí ovšem za ideálních podmínek. Při trvalém provozu v mezních podmínkách, však dochází k posouvání napětí E-B v důsledku stoupání teploty přechodu a tranzistor otvírá při nižším napětí, tedy nižším proudu. Při běžném použití, kdy špičkový proud odebíráme jen krátce, není tento jev na závadu, pro aplikace s trvalým zatížením by bylo nutné hodnoty rezistorů pozměnit. Rezistor R8 (22Ω) a tranzistor T3 (BD240C) musí být dimenzovány na plný proud monolitického stabilizátoru IO1 (LM338K).

Příště se opět podíváme na pomocné obvody zdroje, jako je proudová pojistka a řízení ventilátorů.

Download & Odkazy

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