Много различных лабораторных блоков питания представлено в интернете на радиотехнических сайтах, правда в основном простые конструкции. Эта же схема отличается достаточно высокой сложностью, которая оправдывается качеством, надёжностью и универсальностью БП. Представляем полностью самодельный блок питания с двухполяркой 2 х 30 В, с регулируемым током до 5 А и цифровым светодиодным А/В метром.
На самом деле это два одинаковых блока питания в одном корпусе, что значительно увеличивает функциональность и возможности устройства, позволяя объединить мощности каналов вплоть до 10 Ампер. В то же время это не типичный симметричный источник питания, хотя тут можно подключать последовательные выходы для получения более высокого напряжения или псевдо симметрии, рассматривая общее соединение как массу.
Схемы модулей лабораторного БП
Все схемы плат питания были спроектированы с нуля, также и все печатные платы являются самостоятельной разработкой. Первый модуль “Z” – это диодный мост, фильтрация напряжения, формирование отрицательного напряжения для питания операционных усилителей, источник положительного напряжения 34 В постоянного тока для операционных усилителей, питание от отдельного вспомогательного трансформатора, реле, используемое для переключения обмоток главного трансформатора, управляемых от другой печатной платы, и источник питания 5 В 1 A для измерители мощности.
Модули “Z” обоих блоков были сконструированы так, чтобы быть почти симметричными (чтобы лучше вписываться в корпус БП). Благодаря этому разъемы ARK были размещены на одной стороне для подключения проводов и радиатора для мостового выпрямителя, а платы, как показано на рисунках, размещены симметрично.
Здесь использован 8-амперный диодный мост. Основные трансформаторы имеют двойные вторичные обмотки, каждая 14 В и ток чуть более 5 А. Блок питания был рассчитан на 5 ампер, но оказалось, что при полном напряжении 30 В не получается полных 5 А. Тем не менее, нет проблем с нагрузкой 5 ампер при более низком напряжении (до 25 В).
Второй модуль представляет собой расширенный вариант блока питания с операционными усилителями.
В зависимости от того, нагружен источник питания или находится в режиме ожидания, напряжение в области усилителя U3, ответственного за ограничение тока, изменяется (при той же настройке пределов потенциометра). Схема сравнивает напряжение на потенциометре P2 с напряжением на резисторе R7. Часть этого падения напряжения подается на инверсный вход U4. Благодаря этому выходное напряжение зависит от настройки потенциометра и практически не зависит от нагрузки. Почти потому, что по шкале от 0 до 5 А отклонение находится на уровне 15 мВ, чего на практике достаточно, чтобы получить стабильный источник для управления схемами LM3914, образующими светодиодную линейку.
Схема визуализации особенно полезна, когда для регулировки используются многооборотные потенциометры. Замечательно, что с помощью такого потенциометра можно легко установить напряжение с точностью до третьего знака после запятой. Каждый светодиод в линейке соответствует току 0,25 А, поэтому, если предел тока ниже 250 мА, линия не отображается. Способ отображения линейки можно изменить с точки до линейки, но здесь выбрана точка, чтобы избежать влияния слишком большого количества световых точек и снизить энергопотребление.
Следующим модулем является система переключения обмоток и система управления вентиляторами, что установлены на радиаторах старых процессоров.
Питание цепей от независимых обмоток вспомогательного трансформатора. Тут использованы м/с ОУ LM358, которые содержат внутри два операционных усилителя. В качестве датчика температуры использован транзистор BD135. После превышения 55C вентиляторы включаются, а после охлаждения примерно до 50C автоматически выключаются. Система переключения обмотки реагирует на значение напряжения на клеммах прямого выхода источника питания и имеет гистерезис около 3 В, поэтому не будет слишком частого срабатывание реле.
Измерение напряжения и тока нагрузки осуществляется с помощью чипов ICL7107. Платы счетчиков являются двухсторонними и имеют такую конструкцию, что для каждого источника питания на одной плате имеется вольтметр и амперметр.
Полезное: Светодиодные задние фонари для авто своими руками
С самого начала идея состояла в том, чтобы визуализировать параметры блоков питания на семисегментных LED дисплеях, потому что они более читабельны, чем ЖК-дисплей. Но ничто не мешает измерять температуру радиаторов, переключателей обмоток и системы охлаждения на одном МК Atmega, даже сразу для обоих источников питания. Это вопрос выбора. Использование микроконтроллера выйдет дешевле, но как уже писали выше – это дело вкуса.
Все вспомогательные системы питаются от трансформатора, который был перемотан путем удаления всех обмоток, кроме сетевой 220 В (первичной). Для этой цели использовался TS90 / 11.
В качестве вторичной обмотки намотаны 2 x 26 В переменки для питания операционных усилителей, 2 x 8 В переменки для питания индикаторов и 2 x 13 В для питания контроля температуры. Всего было создано шесть независимых обмоток.
Регулируемый источник питания является обязательным атрибутом на столе радиолюбителя, но из-за их немалой стоимости многие предпочитают сделать лабораторный блок питания своими руками. Блоки питания бывают линейными и импульсными, основное преимущество импульсных схем — это их высокий КПД (>90%). Линейные схемы имеют низких КПД, но обеспечивают более чистое выходное напряжение, которые свойственны импульсным источникам питания.
Линейные источники питания лучше, но при конструировании таких источников питания большой мощности возникают проблемы с охлаждением силовых транзисторов.
В чем же заключается основная сложность?. Допустим мы собрали блок питания с регулировкой напряжения от нуля до 30 Вольт и ток от нуля до 5 Ампер. И если мы выставим на выходе малое напряжение и большой ток, например 3 Вольта и 5 Ампер, на выходе получим мощность около 9 Ватт, при этом на транзисторе будет падение напряжения как минимум 27 Вольт, с учетом тока в 5 ампер, получаем около 140 ватт мощности в виде бесполезного тепла, которое нужно отводить.
Есть два основных варианта решения этой проблемы:
- Громадный радиатор с вентилятором для охлаждения силового транзистора;
- Система переключения обмоток трансформатора.
Второй вариант наиболее предпочтителен, и позволит избавиться от массивных радиаторов и шумного вентилятора.
Принцип работы очень прост — при малых выходных напряжениях на вход также подается малое напряжение. Таким образом мощность рассеиваемая на транзисторе будет гораздо меньше, КПД увеличивается в разы.
Но для того, чтобы задействовать коммутатор, нужно иметь трансформатор с несколькими вторичными обмотками, желательно с полностью одинаковыми параметрами, например три обмотки по 12 Вольт.
Перед вами сейчас самая простая и безотказная схема релейного коммутатора.
Имеем пару стабилитронов на одинаковое напряжения и пару реле, которыми управляют маломощные транзисторы обратной проводимости. Точка «А» подключается к выходу лабораторного блока питания. Масса питания общая. Схема коммутатора питается от отдельной, маломощной обмотки.
Схема работает следующим образом, если напряжение на выходе лабораторного блока питание ниже 12 Вольт, стабилитрон закрыт. Если напряжение на выходе лабораторного блока питания больше 12 Вольт первый стабилитрон моментально откроется, сигнал поступит на базу первого транзистора, отпирая его, через открытый переход поступит питание на обмотку реле, как следствие — реле также сработает, коммутируя соответствующую обмотку. Теперь на вход стабилизатора поступает напряжение 24 Вольта.
При увеличении выходного напряжения блока питания до порогового значения, а это сумма напряжений обеих стабилитронов, точно таким же образом откроется второй стабилитрон, что приведёт к отпиранию второго транзистора и сработкет второго реле, и на вход стабилизатора поступит полное напряжение со всех трех последовательно соединенных обмоток трансформатора.
В этот момент первое реле тоже находится во включенном состоянии, но так как питание поступает по второму реле, на выходное напряжение это не влияет. Добавив в схему еще один транзистор со стабилитроном, в эти моменты можно отключать его.
Если напряжение на выходе источника питания больше значения суммы напряжений стабилизации стабилитронов откроется третий транзистор, шунтируя базу транзистора, который управляет первой реле на массу питания, тот закроется и отключит реле.
Стоит заметить, что через стабилитроны и переходы база эмиттер протекают ничтожно малые токи.
В схеме использованы реле с напряжением катушки 12 Вольт.
Диоды предназначены для защиты от пробоя управляющих транзисторов напряжением самоиндукции с обмоток реле во время их отключения.
Ток коммутации реле зависит от вашего блока питания, если конструируете лабораторный блок питания на 5 Ампер, реле желательно взять с двукратным запасом, например 10-12 Ампер.
Базовые ограничительные резисторы для транзисторов могут иметь сопротивление от 6,8 до 15 кОм. Сами транзисторы обратной проводимости, можно взять любые малой и средней мощности.
К недостаткам схемы можно отнести использование электромагнитного реле. Должен сказать, что во многих промышленных блоках питания применяется именно такое решение. Реле издают звук во время переключения, а контакты не вечные.
Есть системы, где переключающим элементом является симистор, но такие коммутаторы также не идеальны, часто возникают проблемы с управлением, а на самих симисторах будут потери, следовательно и нагрев, к тому же симисторные схемы довольно сложны.
Питать схему коммутации можно как от отдельной обмоткой, которая намотана на основном трансформаторе, так и от отдельного маломощного блока питания. Напряжение этого источника должно быть от 18 до 20 вольт, при токе в 200-300мА.
Печатная плата тут
Корпус и раходы на сборку
Весь БП помещен в корпус, который также был разработан с нуля. Он был сделан на заказ. Известно, что в домашних условиях сложно сделать достойную коробку (особенно металлическую).
Алюминиевая лицевая панель, используемая для крепления всех индикаторов и дополнительных элементов, была изготовлена на фрезерном станке в соответствии с конструкцией.
Безусловно, это не малобюджетная реализация, учитывая покупку двух мощных тороидальных трансформаторов и исполнение корпуса на заказ. Хотите попроще и подешевле – делайте такие БП.
Остальное можно оценить исходя из цен в интернет-магазинах. Конечно, некоторые элементы были получены из собственных запасов, но их тоже нужно будет покупать, создавая блок питания с нуля. Общая стоимость вышла на уровне 10000 рублей.
Сборка и настройка ЛБП
Рекомендуем строить этот лабораторный БП в следующем порядке:
- Сборка и проверка модуля с мостовым выпрямителем, фильтрацией и реле, подключение к трансформатору и активация реле от независимого источника для проверки выходных напряжений.
- Исполнение модуля переключения обмоток и контроля охлаждения радиаторов. Запуск этого модуля облегчит настройку будущего источника питания. Для этого понадобится другой источник питания для подачи регулируемого напряжения на вход системы, отвечающей за управление реле.
- Температурная часть схемы может быть настроена путем моделирования температуры. Для этой цели использовалась тепловая пушка, которая аккуратно нагревала радиатор с датчиком (BD135). Температура измерялась с помощью датчика, включенного в мультиметр (в то время не было готовых точных измерителей температуры). В обоих случаях настройка сводится к подбору PR201 и PR202 или PR301 и PR302 соответственно.
- Затем запускаем блок питания, регулируя RV1 таким образом, чтобы получить 0 В на выходе, что полезно при настройке ограничения тока. Само ограничение зависит от значений резисторов R18, R7, R17.
- Регулирование А/В индикаторов сводится к настройке опорных напряжений между контактами 35 и 36 микросхем ICL. В измерителях напряжения и тока использовался внешний эталонный источник. В случае с измерителями температуры такая точность не нужна, а отображение с десятичным знаком все же несколько преувеличено. Передача показаний температуры осуществляется одним выпрямительным диодом (на схеме их три). Это связано с дизайном печатной платы. На ней есть две перемычки.
- Непосредственно на выходных клеммах к вольтметру подключен делитель напряжения и резистор 0,01 Ом / 5 Вт, на котором падение напряжения используется для измерения тока нагрузки.
Дополнительным элементом источников питания является схема, которая позволяет включать только один источник питания без необходимости использования второго канала, несмотря на тот факт, что вспомогательный трансформатор питает оба канала источника питания сразу. На той же плате размещена система для включения и выключения блока питания с помощью одной слаботочной кнопки (для каждого канала блока питания).
Схема питается от инвертора, который в состоянии ожидания потребляет около 1 мА от сети 220 В. Все схемы в хорошем качестве можете
Плата лабораторного блока питания, моя конструкция и дополнения. Мультиобзор.
Данный текст написан не столько ради обзора самой платы блока питания, в этом преуспел, уважаемый Kirich и другие авторы, а скорее ради описания получившейся у меня конструкции в целом, с необходимыми, на мой взгляд, этому блоку питания дополнениями в виде термоконтроллера вентилятора, индикатора напряжения и тока, автоматического переключателя обмоток трансформатора, электронного отключения нагрузки, ну и собственно силового трансформатора и корпуса. Часть устройств куплена на AliExpress, а другая часть собрана с нуля. Для первых будут ссылки, а для последних схемы… Итак, используемые компоненты: — Готовый тороидальный трансформатор 150Вт, имеющий 2 обмотки по 12 вольт, купленный в чип и дип. Такой трансформатор был выбран с расчетом возможности переключения обмоток, разделив диапазон выходных напряжений на 2 поддиапазона — 0-11в и все, что выше (используя или одну 12 вольтовую обмотку или 2 последовательно соединенные такие же обмотки, в сумме дающие ~24В). Поверх двух заводских вторичных обмоток еще были намотаны 2 дополнительные. Первая — маломощная на 13В для питания дополнительных устройств и вентилятора охлаждения. Вторая обмотка более мощная, на 7В., намотанная проводом 1,5мм (можно было использовать тоньше, но такой был у меня в наличии), для питания отдельного 5-вольтового USB выхода, подключенного к линейному стабилизатору 7805;
— Плата-конструктор лабораторного источника питания с AliExpress. Набор реально стал стоить копейки — чуть больше 5$. Долетел до Минска за 29 дней, трек отслеживался. Собранная мной плата на фото выше. Заменил лишь комплектный кондер на 10 000мкф и диоды выпрямителя, диодами Шоттки SR560 на ток 5A. Менять операционные усилители, пока не стал…;
— Готовая плата контроллера вентилятора с индикатором температуры и выносным термодатчиком также с AliExpress. Термоконтроллер, стоимостью 1,65$, доехал до Минска за 22дня, трек отлеживался. Отличное устройство, надо отметить. Может работать в одном из двух режимов — на охлаждение или на нагрев. Т.е., в зависимости от выбранного режима, термоконтроллер управляет или нагревателем (включает, если температура опускается ниже заданной), или вентилятором (включает, если температура превышает заданную). Для отключения вентилятора или нагревателя задается значение гистеризиса. Управляется контроллер при помощи 3х кнопок, значения выводятся на 3х-символьный индикатор. На странице продавца имеется подробная инструкция
Инструкция
; — Готовый индикатор напряжения и тока с AliExpress. Цена 3,94$. Ехал заказ 5 недель, трек не отслеживался. Надо отметить, что индикатор оказался вполне годным, позже протестируем;
— Самодельный блок переключения обмоток трансформатора (схема найдена на просторах инета). Это, пожалуй, самое важное дополнение для линейного регулируемого блока питания. Дело в том, что КПД таких источников — весьма не высокий, особенно при низких выходных напряжениях. Так, например, при выходном напряжении 5В и токе, скажем, в 3А, на выходном транзисторе должно рассеяться около 75Вт. И в этом режиме, при питании БП от 24 вольт переменного тока (2 обмотки по 12 вольт), вентилятор охлаждения, управляемый термоконтроллером, почти никогда не выключается. А при входном напряжении в ~12В, наоборот, включается очень редко и на короткое время. Таким образом, данное дополнение, позволяет значительно улучшить режимы работы блока питания, особенно, если учесть, что я, в основном использую напряжения до 12В. Единственное, что выбранное мной решение не самое лучшее, потому, что, при уменьшении напряжения, в момент переключения обмоток с двух на одну (с 24в на 12в), возникает короткий провал в выходном напряжении. Симисторная же схема лишена такого недостатка. А для себя я решил, что мне этот нюанс не принципиален. Собрано устройство на макетной плате, тут же размещен выпрямитель и стабилизатор напряжения на 12В, от которого питаются реле, термоконтроллер и вентилятор. Для этого стабилизатора на трансформаторе была намотана дополнительная маломощная обмотка;
— А это полностью самодельный блок электронного подключения нагрузки, о нем по подробнее: Итак, небольшое ТЗ.
— После включения блока питания нагрузка должна быть отключена в независимости от последнего состояния. — О выключенной нагрузке должен сообщать мигающий красный светодиод. — О включенной нагрузке должен сообщать постоянно горящий зеленый светодиод. — Подключение нагрузки происходит при помощи реле. — Аппаратное подавление дребезга контактов.
Схема исправлена, спасибо пользователям IIIap, varicap и alexky, ее заметившим (неправильная полярность защитного диода). Схема построена на дешевом микроконтроллере Atmel ATtiny2313 и триггере Шмитта 74HC14. Запитана схема от 12 вольт, необходимых для работы реле. Для питания микросхем использован линейный преобразователь 7805.
После включения мигает красный светодиод VD2. Триггер шмитта 74HC11 позволяет окончательно и бесповоротно избавиться от дребезга контактов. При нажатии кнопки, светодиод VD2 гаснет, а VD1 (зеленый) загорается, одновременно с ним открывается транзистор VT1 и включается реле K1. При следующем нажатии нагрузка и зеленый светодиод VD1 отключаются, красный светодиод VD2 начинает мигать. Диод VD1 защищает транзистор от всплесков напряжения на катушке реле. Собрана схема на макетной плате. Если не ставить на входе триггер Шмитта (и бороться с дребезгом программными средствами), то необходим подтягивающий резистор 10К на 7 выводе микроконтроллера. В планах добавить еще один канал управления на вход микроконтроллера int0. Управляться будет USB выход.
Управляющая программа написана в среде Bascom.
В основном цикле мигает красный светодиод, при условии, что на выходе PB2 низкий уровень, т.е. нагрузка отключена, а зеленый светодиод не горит. По прерыванию Int1 вызывается подпрограмма Swbutton. Оператор Toggle переключает состояния выхода PB2 (если был 1 то станет 0 и наоборот). После переключения выхода программа возвращается в основной цикл, до следующего прерывания;
Под спойлером исходник
$regfile = «attiny2313.dat» $crystal = 4000000 Config Portb.1 = Output Config Portb.2 = Output Config Pind.3 = INPUT Config Int1 = Falling
Dim Wtime As Byte
On Int1 Swbutton
Cls
Wtime = 255
Enable Interrupts Enable Int1
Do if pinb.2 = 0 Then Set Portb.1 Waitms Wtime Reset Portb.1 Waitms Wtime Else ‘Pinb.4 = 0 End If Loop End
Swbutton: Toggle Portb.2
Return
End
— Реле.Слева реле в синем корпусе, используется для включения/отключения нагрузки, а реле в прозрачном корпусе, первой группой контактов переключает обмотки трансформатора, а вторая группа включает светодиод индицирующий подключение второй обмотки;
— И наконец, готовый корпус от старого ленточного стримера. DDS картриджи на 2Gb уже очень давно не актуальны, поэтому девайс был бесжалостно разобран на запчасти. А корпус с родным вентилятором прекрасно подошёл для моего блока питания;
Вот такая передняя панель. Временная, т.к. буду переделывать и компоновку и материал вставки менять надо (был белый вспененный пластик — смотрится коряво, а будет заглушка от компьютерного корпуса, которая попадает в цвет всего устройства). Но это чуть позже, когда дойдут из китая многооборотные резисторы. Так же добавится USB разъем. Красный регулятор — напряжение, синий — ток (цвета ручек выбраны в соответствии с цветами свечения сегментов индикатора). Прямоугольный зеленый светодиод под индикатором начинает светиться при подключении второй обмотки трансформатора. Над синим регулятором светодиод индикации стабилизации по току (красного цвета). Ну и в районе выходных клемм красная кнопка подключения нагрузки и двухцветный светодиод (красно-зеленый).
Все выполнено на разъемах — лицевая панель полностью съемная. Выход блока питания к лицевой панели подключается, посредством разъёма типа Deans, который используется для аккумуляторов дистанционно управляемых моделей;
Все компоненты соединены между собой в соответствии со следующей схемой (справлена, спасибо пользователю MisHel64):
Немного сборки:
Блоки переключателя обмоток и отключения нагрузки собраны в сандвич и установлены вблизи передней панели. Рядом установлены реле отключения нагрузки и плата термоконтроллера вентилятора.
С внутренней стороны, к корпусному вентилятору прикручен радиатор (от какого-то старого процессора). К радиатору на термопасту прикручен транзистор и датчик термоконтроллера. Все установлено в корпус с задней стороны.
Основная плата установлена на высоких стойках вниз деталями. Такое расположение, хоть и не самое теплоэффективное, но по другому плату и трансформатор в этом корпусе не разместить.
Обмотки трансформатора я решил подключить при помощи клемм Wago, получилось очень удобно. В проводах небольшой сумбур, хотя они укладывались и стягивались стяжками. Может потом переделаю… И последний компонент — стабилизатор на 5В, выполненный навесным монтажом на радиаторе. И пара заключительных фото, вид сзади и собранный БП. Сзади расположены разъем питания, выключатель питания, предохранитель и выключатель (синего цвета) дополнительной линии 5В.
Теперь перейдем к тестированию. Сразу оговорюсь, что тестировать будем не столько саму плату БП, сколько всю конструкцию в сборе. Начнем с индикатора. Под спойлером находятся наглядные фото тестирования. Показания сравнивались с эталонным профессиональным цифровым мультиметром Актаком АМ-1095.
Тестирование показаний вольметра
Амперметр тестировался при помощи нагрузочного резистора 10Ом 50Вт.
Если вспомним закон Ома, то легко прикинем, с этим резистором показания тока должны быть в 10 раз меньше показаний вольтметра, в чем сейчас и убедимся. Сравнивать показания будем по прежнему с Актакомом.
Тестирование показаний амперметра
После проведенных измерений я даже зауважал этот индикатор и мне захотелось его назвать «прибором» )).
А вот от платы блока питания больше 26В при 10 Омной нагрузке, а токе, соответственно, в 2.6А, получить не удалось, хотя на холостом ходу блок питания выдает 31В.
Тестируем стабилизацию тока (мультиметр, в режиме измерения тока, напрямую подключен к выходным клеммам):
Фотки
Видим, что регулировка тока возможна до 3.6А. Я все-таки решил выяснить какая просадка выходного напряжения будет при почти максимальном токе. У меня нашлись два резистора по 3,3Ом 50Вт, соединил их последовательно и подключил к выходным клеммам — результат на фото:
Еще тесты:
Сравним напряжение на выходе выпрямителя с выходным. (На мультиметре напряжение на выходе диодного моста) Слева без нагрузки, справа с нагрузкой: Тоже самое, но меряем переменку на выходе транса:
Небольшие выводы: -напряжение на выходе транса просаживается под нагрузкой на 1,6в, хотя трансформатор 150Вт, а на выходе около 80Вт. -напряжение на выходе диодного моста просаживается под той же нагрузкой, уже на 6В. -выходное же напряжение просаживается на 8,5В при той же нагрузке около 80Вт. Надо, конечно с этим что-то делать… хотя мне этого рабочего диапазона для работы вполне хватит.
Ну, вот осталось только измерить пульсации, хотя для линейных блоков питания это наверное излишне и надо скорее, что бы подчеркнуть их беспроблемность в этом плане, хотя…
Меряем пульсации
Сразу оговорюсь, т.к. блок линейный, на показания частотомера обращать внимания не стоит — он меряет абы что… Меряем: эффективное значение (минимальные показания на скриншотах), максимум пиковый (средние показания) и диапазон (максимальные значения). 10В, 1А:
10В, 2,1A:
12В, 3,5А:
24В, 3,5А:
все красиво, но есть нюанс: когда блок близок к моменту, когда начинает проседать напряжение, т.е. близок к своему пределу, то откуда-то возникают дикие помехи. Вот на фото ниже работает только 1 обмотка транса, т.е. на вход блока питания подается около 12В переменки, и нагрузка в 3А уже явилась предельной и поперли помехи. А если бы на вход подавалось большее напряжение, то блок работал бы в штатном режиме. Вот надо такой нюанс учитывать. 10В, 3А:
Подтверждение покупок
