Jste zde

Laboratorní napájecí regulovatelný zdroj s rozsahem 0 – 30V / 30A II.

Dokončení výkonového laboratorního zdroje

Proudová elektronická pojistka pro laboratorní zdroj

V této konstrukci je možno zvolit zda budeme odebírat výstupní napětí přímo ze zdroje, kdy na výstupu obdržíme regulované napětí v rozsahu 0V až 30V, ovšem bez proudového omezení, nebo budeme odebírat výstupní napětí přes obvod proudové elektronické pojistky. Tento obvod je velice důležitý, při tak velkých výstupních proudech, jaké dokáže dodat tento laboratorní zdroj (30A). Proudová pojistka se především hodí při napájení oživovaných přístrojů. Pojistka se dá již nastavit na omezovací proud 15mA, což je dostačující, její horní hranice proudového omezení je nastavitelná přibližně na hodnotu 20A (30A). Elektronická pojistka je nesrovnatelně rychlejší, než klasické tavné pojistky, dokáže reagovat maximálně v řádu jednotek ms. Nesmíme ovšem tuto pojistku zneužívat po dlouhou dobu, kdy signalizuje aktivaci proudového omezení, ztráty vyzářené v teplo při aktivaci mohou dosáhnout v extrémním případě několika stovek wattů, což není schopen výkonový prvek T10 (IRFP064N) dlouhodobě zvládnout. Výkonový MOSFET  tranzistor IRFP064N má následující parametry: UDS=55V;  ID=110A; Ptot=200W; RDS=0,008Ω; TO247AC. 

Schéma zapojení elektronické proudové  pojistky
Schéma zapojení elektronické proudové pojistky

Proudovou pojistku je možné nastavit od minimálního výstupního proudu (cca. 15mA) až do maximální povolené proudové hodnoty laboratorního zdroje (30A). Pojistka je napájena napětím +5V, regulaci provádíme 10-ti otáčkovým precizním potenciometrem P5 (10kΩ) 534 firmy Spectrol. Můžeme samozřejmě použít i dvojici klasických potenciometrů, jeden pro jemnou (500Ω) a druhý pro hrubou (5kΩ) regulaci. Potenciometr má na každém výstupu zařazen odporový trimr: P4 (10kΩ/PT10LV), P6 (25kΩ/PT10LV), kterým do-nastavíme minimální a maximální omezení proudu. Proudová pojistka je doplněna o LED diodu Q5 červené barvy, která signalizuje nastupující omezení (aktivaci) proudové pojistky.

Hlavní součástkou pojistky je výkonový MOSFET tranzistor T10 (IRFP064N), tento tranzistor má v sepnutém stavu zanedbatelný odpor (0,008Ω), takže na něm v ideálním případě nevznikají žádné tepelné ztráty. Situace se změní v případě aktivace proudové pojistky, pak se musí vyzářit tranzistorem T10 velké tepelné ztráty (může dosáhnout i stovek wattů), proto musíme umístit tento tranzistor na dostatečně dimenzovaný chladič. Dále doporučuji neprodlužovat zbytečně dobu, po které je aktivní proudová pojistka, zbytečně bychom zatěžovali tranzistor T10.

Napájecí napětí 5V, napájí dělič tvořený dvěma trimry (P4, P6) a 10otáčkovým potenciometrem P5, ze kterého se odebírá napětí UG pro výkonový MOSFET tranzistor T10. V případě zkratu, nebo většího proudu procházejícího výstupními svorkami, než je nastavený potenciometrem, začne téct diodou D10 (1N4007) a rezistorem R28 (10kΩ) proud do báze T8 (BC546B), ten se otvírá a tranzistor T10 (IRFP064N) se přivírá, tím se sníží proud tekoucí do zátěže. Tranzistor T9 spíná červenou LED diodu Q5 při aktivaci proudové pojistky. Proudová pojistka je velice rychlá a proto spolehlivá.

Důležitá je stabilita napájecího napětí +5V, z tohoto napětí je napájen odporový dělič tvořený P4, P5, P6 a tím je také udána stabilita proudového omezení proudové pojistky. Výkonový MOSFET tranzistor IRFP064N je umístěn na společný chladič laboratorního zdroje CHL1 (CHL32C/80 – 0,9K/W), který je navíc doplněn o tři ventilátory KDE1208-PTS3.

Komparační obvod 15V/30V pro laboratorní zdroj

Pro snížení ztrát při regulaci výstupní napětí laboratorního zdroje, bylo potřeba zajistit automatickou volbu vstupního napájecího napětí zdroje. Díky tomuto řešení lze udržet tepelné ztráty vyzářené aktivními prvky v přijatelných mezích, a proto nemusíme příliš zvětšovat velikost a hlavně váhu chladiče polovodičových prvků.

Schéma zapojení komparátoru 15V/30V
Schéma zapojení komparátoru 15V/30V

Popis funkce obvodu: střídavé napětí dvojitého sekundárního vinutí výkonového toroidního transformátoru, má hodnotu 15V~ / 30V~, dle stavu komparátoru. Při zapnutí zdroje je relé REL2 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 nemění a obě sekundární vinutí jsou řazena paralelně, naopak pokud je nastavená úroveň výstupního napětí vyšší, je stav komparátoru překlopen a relé přepne sekundární vinutí do sériového řazení, kdy posléze obdržíme na vstupu usměrňovače střídavé napětí 30V.

Popis zapojení obvodu: jádrem zapojení je integrovaný obvod IO2 (LM741) v  pouzdru DIL08. Na vstup + (pin3) IO2 přivádíme komparační napětí z výstupu laboratorního zdroje, hodnota výstupního napětí zdroje určuje okamžik překlopení komparátoru podle referenčního napětí, které je přivedeno na vstup – (pin2) IO2. Hodnota referenčního napětí je nastavena na 15V. IO2 (LM741) je napájen nesymetrickým napětí +18V s obvodu pomocného napájení. Aby nedocházelo k hysterezi obvodu IO2 (LM741) při hraničním komparačním napětí, je zařazena zpětná vazba s odporem R23 (47kΩ). Ovládací napětí je vedeno s výstupu OZ (pin6) IO2 přes odporový dělič R24, R25 (4k7) do báze tranzistoru T7 (BC640). Tento tranzistor spíná relé REL2 (F4052-12), tranzistor je chráněn dvojicí diod D8, D9 (1N4007), stav přepnutí komparátoru je signalizován LED Q4 zelené barvy.

Obvod pomocné napájení pro laboratorní zdroj

Vzhledem k obvodové složitosti celé konstrukce laboratorního zdroje, se určitě nevyhneme různorodému pomocnému napájení jednotlivých obvodů, proto je v konstrukci doplněn obvod pomocného napájení (+5V,+12V,+15V,+18V,-9V,-15V). Obvod je umístěn společně ze síťovou části na společné desce plošných spojů DPS. Celý obvod je napájen z výstupu za filtrem síťové části, aby nebyl ovlivněn obvodem „SOFT“ START a TEMP PROTECT.

Schéma zapojení pomocného napájen
Schéma zapojení pomocného napájení

Síťové napětí 230V je přivedeno na transformátor TR2 (ZTR54/18) do DPS, který má za úkol zásobovat řídící a doplňkové obvody. Transformátor má dvě sekundární vinutí (2 x 18V) a je schopen dodat proud až 0,4A do každého vinutí. V každé větvi je umístěn usměrňovací můstek typu B250R (BR2, BR3) doplněný o odrušovací polyesterové kondenzátory C70-C73 a C84-C87 (10nF/MKS2), následuje elektrolytický kondenzátor C74 (C88) 1000μF/35V, který filtruje procházející napětí.

Sekundární vinutí L1 je určeno pro kladná napětí +5V, +12V, +15V, +18V (měřidla napětí a proudu – PMV7157HX, proudová pojistka, řídící jednotka chlazení, „SOFT“ start, komparátor 15V/30V). Tyto napětí jsou získána pomocí stabilizátoru řady 78xx v klasickém doporučeném zapojení. Navíc je každý výstup doplněný o zatěžovací rezistor, který zajistí minimální odběr 20mA z obvodu pro správnou funkci stabilizace.

Sekundární vinutí L2 je určeno k napájení obvodu s požadavkem na záporné napětí. Jedná se opět o klasické doporučené zapojení obvodu řady79xx. Výstupní napětí -15V a -9V je určeno k napájení reference -1,2V pro stabilizátor LM338K a pro napájení řídící jednotky chlazení.

Všechny stabilizátory jsou v pouzdru TO220, které je navíc doplněno o malý chladič D02-BLK pro lepší chlazení integrovaných obvodů. Na výstupu každé napájecí větve je zařazen tantalový kondenzátor s kapacitou 1μF/35V.

Řídící jednotka chlazení laboratorního zdroje

Protože dosti velký výkon laboratorního zdroje již vyžaduje nucené chlazení, je užitečnou součástí zdroje také elektronické řízení otáček ventilátoru podle aktuální teploty chladiče a jeho okolí. Tím se sníží výrazně rušivý šum ventilátoru, kdy je výstupní výkon laboratorního zdroje pouze zlomek maximálního a zdroj produkuje výrazně menší množství tepla. Modul obsahuje teplotní čidlo TS1 (KTY81-120), které se montuje na chladič CHL1 (CHL32C/80) v blízkosti výkonových tranzistorů.

Schéma zapojení řídící jednotky chlazení
Schéma zapojení řídící jednotky chlazení

To jednak aktivuje tepelnou pojistku obvodu „TEMP PROTECT“ s relé REL1 (F4052-12) při překročení nastavené teploty trimrem P8 (500Ω/PT10LV) a současně slouží pro řízení otáček připojených ventilátorů KDE1208-PTS3. Obvod řídící jednotky chlazení je napájen napětí ±15V a navíc napětím +12V pro napájení ventilátorů FAN1 až FAN3 a relé REL1. Obvod tepelné ochrany používá polovodičové snímače typu KTY81-120 se jmenovitým odporem asi 1kΩ při 25°C. Při ohřevu na +75°C stoupne jejich odpor asi o 40% (tj. na 1,4kΩ). Stejnosměrné napětí na čidle je tvořeno odporovým děličem R41 a TS1. Operační zesilovač je IO3a je zapojen jako sledovač. Z jeho výstupu se odebírá ss napětí pro obvod řízení otáček ventilátoru a současně je toto napětí přivedeno na komparátor tepelné ochrany IO3b. Referenční napětí se nastavuje trimrem P8. Máme tak možnost zvolit si teplotu, při které dojde k aktivaci relé REL1 obvodu TEMP PROTECT. Odpor R43 zajišťuje hysterezi při opětovném připojení. Přes odpor R45 je připojena indikační LED Q8. Obvod pro řízení otáček ventilátoru je tvořen operačním zesilovačem IO3c a IO3d, zapojeným jako invertující zesilovač. Mezi 25°C a 75°C stoupne napětí na vstupu FAN asi o 0,4V, což způsobí na výstupu pokles napětí asi o 4V. Klidové otáčky ventilátoru (při teplotě chladiče 25°C) nastavíme trimrem P9, P10.   

Seznam součástek

Rezistory  
R1 220Ω/TR9W
R2 3KΩ/R0207
R3, R5, R6 1K2/R0207
R4 1Ω/R0414
R7, R30, R33,  R76, R80 680Ω/R0207
R8 22Ω/R0414
R9 150Ω/R0207
R10, R11 100Ω/TR9W
R12, R78 470Ω/R0207
R13-22 0, 1Ω/TR9W
R23 47kΩ/R0207
R24, R25 4k7/R0207
R26, R77, 560Ω/R0207
R27, R65, R74 220Ω/R0207
R28, R39, R48, R52 10kΩ/R0207
R29, R32, R43 1MΩ/R0207
R31 6k8/R0207
R34 100kΩ/R0414
R35, R36, R37, R38 10Ω/TR9W
R40, R64, R73 22kΩ/R0207
R41, R42, R47, R53 12kΩ/R0207
R44, R49, R54 1k5/R0207
R45 8k2/R0207
R46, R51, R56,  R57 1kΩ/R0207
R50, R55 100kΩ/R0207
R58, R59, R60, R61,  R67, R68, R69, R70 0, 39Ω/R0414
R62, R71 2k2/R0414
R63, R72 1K8/R0207
R66, R75 1kΩ/R0414
R79 160Ω/R0207
R81 390Ω/R0207
   
Potenciometry,  trimry  
P1 5kΩ/N/534
P2, P3 2k5/PT10LV
P4 10kΩ/PT10LV
P5 10kΩ/N/534
P6 25kΩ/PT10LV
P7 500kΩ/PT10LV
P8 500Ω/PT10LV
P9, P10 1kΩ/PT10LV
P11-P18 5kΩ/43P(T18)
   
Kondenzátory  
C1 10nF/MKS4
C2, C3, C4, C5 220nF/MKS4
C6-C15 4700µF/50V
C16, C18, C49, C62 220nF/ker.
C17, C20, C21, C52,  C54, C56, C65, C67, C69 10µF/50V
C19 1µF/100V
C22 1µF/50V/TANT
C23, C25 10µF/35V/TANT
C24, C29, C30, C40, C41, C42, C51, C53, C55, C64, C66, C68, C75-C79, C89, C90, C91 100nF/ker.
C26, C27, C28 0, 33µF/35V/TANT
C31 1nF/ker.
C32, C33 220nF/CFAC/X2
C34, C35 1µF/CFAC/X2
C36,  C37 2, 7nF/CFAC
C38 470µF/25V
C39 47µF/50V
C43 100µF/50V
C44, C45, C46, C47,  C57, C58, C59, C60 47nF/MKS2
C48a, C48b, C61a,  C61b 4700µF/35V
C50, C63, C74, C88 1000µF/35V
C70, C71, C72, C73, C84, C85, C86, C87 10nF/MKS2
C80, C81, C82, C83, C92, C93 1µF/35V/TANT
   
Diody,  tranzistory  
D1, D6, D7 P1000K
D2 BZX85V033
D3 LM385Z/1, 2
D4, D5 1N5819
D8, D9, D10, D13-16, D22-24, D31-D33 1N4007
D11, D12 BZX85V005.6
D17-D19, D20,  D21, D25-D30, D34 1N5408
BR1 KBPC5006F
BR2, BR3 B250R
T1 MJ11016
T2 BC557C
T3 BD240C
T4, T5, T6 MJ15004
T7, T11 BC640
T8, T9 BC546B
T10 IRFP064N
T12 BC558B
T13 BUZ11
T14, T15, T16 BDX54C
T17, T18 TIP132
   
Integrované obvody  
IO1 LM338K
IO2 LM741
IO3 TL084
IO4, IO5 LM350T
IO6 7818
IO7 7815
IO8 7812
IO9 7805
IO10 7915
IO11 7909
   
LED diody  
Q1 LED L53YD
Q2, Q4, Q7-Q12 LED L53GD
Q3, Q5, Q6 LED L53ID
   
Chladiče  
CHL1 CHL32C/80, AL5060
CHL2, CHL3, CHL4 V7141
CHL5, CHL6 CHL20B/80BLK
CHL7-12 D02-BLK
   
Ostatní prvky  
CONN1-CONN3 CKK5/3
CONN4, CONN20 CKK5/2
CONN5-CONN19 CZM5/2
REL2, REL3, REL4 F4052-12
VAR1 V250LA40
F1 PP6 T 7, 5A
F2, F3 AL30A
F4, F5 PP5 F 5A
L1a, L1b 1, 8mH/6A RSDH423260
L2, L3 150µH/6A/V32A6
L4, L5 220µH/3A/T220A3
TR1 Toroid 1200VA (2x15V/30A; 2x20V/3A)
TR2 ZTR54/18 (14VA)(2x18V/0, 5A)
FAN1, FAN2, FAN3 KDE1208-PTS3
SP1 CK1051 (4 polohy,  3 póly)
DL1-12 DL5 1D
DP1 DP 10 P
DP2, DP3 DP 02 P
DP4, DP5 V1140
TS1 KTY81-120
DIL1 PAT08 DIL PR
DIL2 PAT14 DIL PR
VYP1 SSK1553 RED01
Michal Slánský
Michal.Slansky@ seznam.cz

Download & Odkazy

Hodnocení článku: 

Komentáře

dobry den. chcem sa spytat. dalo by sa pouzit na POMOCNE NAPAJANIE aj transformator so spojenym sekundarnym vinutim?? dakujem