Dnes sa pozrieme asi na najpredávanejšiu čínsku stavebnicu, ktorou je stavebnica regulovateľného zdroja, ktorá stojí menej ako desať eur a predalo sa jej už ohromné kvantum. Jej kúpou dostanete kompletnú elektroniku pre regulovateľný stabilizovaný zdroj do 30 V a 3 A ako stavebnicu. S transformátorom, patričným chladičom a dvojicou meradiel pre výstupné napätie a prúd navyše môžete pomerne lacno zostaviť kompletný napájací zdroj pre vaše pokusy. Zámerne neuvádzam "laboratórny" nakoľko pre ne platia iné špecifikácie, v tomto prípade sa jedná o zdroj regulovateľný s nastavením prúdového obmedzenia.

Čo za to?

Aby sme sa dostali priamo k veci, ukážem vám konečný produkt tejto stavebnice na fotografii nižšie. Doska s plošnými spojmi s rozmermi 85 mm na 85 mm, na ktorej sa nachádza celá riadiacu / regulačná elektronika pre regulovateľný, stabilizovaný laboratórny zdroj. Tento napájací zdroj môže podľa špecifikácií poskytovať výstupné napätie v rozmedzí 0 V_DC až 30 V_DC pri nastaviteľnom konštantnom prúde až do 3 A. Tu ešte musím poznamenať, že výrobca či predajca nie vždy dodáva k stavebnici hliníkový chladič a ventilátor. Osobne som "doporučený" chladič nekupoval, nakoľko pri jeho miniatúrnych rozmeroch som mal obavy, žeby dokázal preniesť stratový výkon cca 90W, preto som použil osvedčený masívny chladič za cca 7€, ktorý je určený pre výkonné SSR relé.

Hotový modul regulovateľného zdroja.

Kde kúpiť?

Stavebnica zdroja 30V / 3A - klikni  (Aliexpress)

Chladič koncového tranzistora - klikni (Aliexpress)

Stavebnica zdroja 30V / 3A - klikni  (Banggood)

Kvalitné 10 otáčkové potenciometre si môžte zakúpiť na tomto odkaze - klikni (Aliexpress)

Kvalita dodaných komponentov

Je vynikajúca, nie je čo vytknúť. Veľký elektrolytický kondenzátor 3 300 μF má pracovné napätie 50 V. Rezistor snímania prúdu 0,47 Ω je robustná drôtová verzia 5 W. Boli dodané všetky potrebné komponenty pre stavbu, čo som si overil podľa schémy a aj podľa rozpisu komponentov (uvediem link na spodku stránky). Jediným mojim doporučením je, použitie pätíc pre trojicu operačných zosilňovačov. Dôvod je jednoduchý - v prípade potreby ich výmeny si ušetríte kopu času s odspájkovaním a značne znížite možnosť poškodenia PCB prehriatím.

Dodané komponenty stavebnice.

Doska plošného spoja

Tej nemožno rovnako nič vytknúť. Doska je samozrejme obojstranná a je opatrená spájkovacou maskou, prekovenými otvormi a pre dobrú orientáciu na nej aj potlačou s rozmiestnením a polarizáciou komponentov. Spájkovacie body sú také veľké, že spájkovanie určite nebude robiť žiadne problémy aj menej skúsenému začiatočníkovi.

Doska plošnáho spoja.

Technické údaje

Podľa výrobcu spĺňa riadiaci obvod nasledujúce špecifikácie:

• Vstupné napätie: 24 V_AC
• Vstupný prúd: 3 A max.
• Výstupné napätie: 0 V_DC ~ 30 V_DC
• Zvlnenie napätia na výstupe a šum: 0,01% max.
• Nastaviteľný výstupný prúd: 2mA ~ 3,0A
• LED indikácia v režime CC

Schéma zapojenia a popis

Na obrázku nižšie je schéma, ktorú vydal Hesai. V origináli sa nachádza jedna chyba, pozícia R5, ale je to opravené už v reprodukcii schémy.  Farby predstavujú časti rôznych blokov.

Napätie transformátora 24 V je usmernené štyrmi diódami mostíka VDS1 a následne je vyhladené veľkým kondenzátorom C1-  3 300 μF. Rezistor R1 tento kondenzátor rýchlo vybije, keď napätie na vstupe poklesne na 0V, respektíve vypnete napájanie.

Aby bolo možná regulácia výstupného napätia od 0 V, vyžaduje si zapojenie záporný pomocný zdroj napájania. Ten je tvorený pomerne jednoduchým obvodom zloženým z diód VD4 a VD5 a dvojice kondenzátorov C6 a C7. Záporné napätie vytvorené na C6 je stabilizované pomocou R16 a VD3 na napätie približne -5,1 V. Toto napätie sa používa na napájanie dvoch operačných zosilňovačov OP1 a OP2 a je tiež potrebné na činnosť obvodu okolo tranzistora VT3 . Stabilizované napätie 24 V sa generuje z kladného napájacieho napätia cez stabilizátor VR1 - 7824 pre napájanie ventilátora chladenia. Tu výrobca asi "pozabudol" na drobnosti ako sú blokovacie kondenzátory.

Interné referenčné napätie je generované operačným zosilňovačom OP3. To je veľmi zvláštny a zriedka používaný obvod. Zenerova dióda s napätím 5,1 V VD6 sa používa pre nízky teplotný drift. Keď je zdroj v prevádzke, spätná väzba okolo tohto operačného zosilňovača spôsobí, že výstup tohto IC sa stane kladným. V určitom okamihu výstupné napätie stúpne natoľko, že zenerova dióda je nastavená vo svojej zenerovej oblasti. V tom okamihu sa obvod okolo OP3 stabilizuje a na rezistore R22 sa objaví stabilné napätie približne 10,2 V. Rovnaké odpory R24 a R25 zaisťujú, že OP3 zosilňuje dvakrát a Zenerovo napätie sa tak zdvojnásobuje. Toto napätie približne 10,2 V sa používa ako referencia pre prúdový aj napäťový potenciometr R21 a R13.

Schéma zapojenia zdroja.

Obvod (zelený) okolo operačného zosilňovača OP1 - TL081 upravuje a stabilizuje výstupné napätie napájacieho zdroja. Cez napäťový delič R9 / R10 sa časť výstupného napätia dodáva na invertujúci vstup operačného zosilňovača. Neinvertujúci vstup je pripojený cez rezistory R11 a R12 k napätiu na stierači R13. Operačný zosilňovač bude ako vždy smerovať k rovnakému napätiu na oboch vstupoch. Operačný zosilňovač bude viesť darlington VT2 / VT1 cez odpor R3, kým sa na oboch vstupoch nedosiahne táto rovnosť napätia.

Fialový obvod obmedzuje dodávaný prúd na nastaviteľnú maximálnu hodnotu. Rezistor R6 sa používa ako snímač prúdu. Invertujúci vstup operačného zosilňovača OP2 - TL081 je nastavený cez odpor R17 na nulové volty záporného výstupu napájacieho zdroja.

Neinvertujúci vstup je nastavený na malé kladné napätie dodávané bežcom potenciometra R21. Ak nie je napájací zdroj zaťažený, neinvertujúci vstup OP2 - TL081 je preto pri kladnejšom napätí ako invertujúci. Výstup operačného zosilňovača je maximálne pozitívny a dióda VD2 - 1N4148 je vypnutá. Teraz predpokladajme, že napájací zdroj je zaťažený stúpajúcim prúdom. Tento stúpajúci prúd generuje stúpajúce napätie cez odpor R6 snímača. Vo výsledku je invertujúci vstup OP2 - TL081 nastavený na stúpajúce kladné napätie. V určitom okamihu sa prúd dodávaný napájacím zdrojom stane takým veľkým, že pokles napätia na R6 sa stane väčším ako napätie nastavené cez R21 na neinvertujúcom vstupe OP2. Výstup operačného zosilňovača je negatívny. Dióda VD2 - 1N4148 začne viesť, čo má za následok, že napätie na neinvertujúcom vstupe OP1 prudko poklesne.

OP1 bude teraz "živiť" darlington menej, čo má za následok pokles výstupného napätia napájacieho zdroja. Systém spätnej väzby okolo OP2 / OP1 teda zaisťuje, že pokles napätia na prúdovom snímači R6 zostáva rovnaký ako napätie privádzané potenciometrom R21 na neinvertujúci vstup operačného zosilňovača OP2. Inými slovami, napájací zdroj poskytuje konštantný prúd.

V okamihu, keď sa systém prepne do režimu konštantného prúdu (CC), je báza tranzistora VT4 - 9015 stiahnutá na záporné napätie cez rezistor R15. Teraz sa rozsvieti LED HL1 pre indikáciu prechodu do režimu CC.

Nakoniec je tranzistor VT3 - 9014prítomný ako ochrana pred nežiaducimi skokmi napätia na výstupe pri zapínaní a vypínaní napájania. Keď je napájanie aktívne, báza tohto tranzistora je pripojená cez odpor R5 k zápornému napájaciemu napätiu. Tranzistor je blokovaný a nehrá rolu. Keď je napájanie vypnuté, záporné napájanie zmizne takmer okamžite. V napájacej vetve sú koniec koncov len dva malé kondenzátory s veľkosťou 47 μF, ktoré sa takmer okamžite vybijú. Výsledkom je, že báza tranzistora VT3 - 9014 je pozitívne vedená cez odpor R4 a začne viesť. Ovládanie darlingtonu je spojené so zemou. VT1 - D1047 okamžite prejde späť a výstupné napätie napájacieho zdroja klesne na nulu bez zvláštnych prechodov. Veľký kondenzátor C1 sa teraz vybíja cez odpor R1.

Chladenie výstupného tranzistora

Ako už bolo spomenuté, v balení stavebnice nie je zahrnutý chladič pre VT1 - D1047. Čiže buď použijete niečo zo svojich zásob, alebo si môžte chladič dodatočne objednať (link je vyššie v nákupnom zozname). Samozrejme nezabudnite použiť aj vhodnú teplovodivú pastu.

Vhodným vylepšeím, je na mieste stabilizátora VR1 - 7824 použiť typ 7812 a za použitia vhodného modulu ovládať otáčky ventilátora podľa teploty chladiča. Rovnako vhodné je do pozície výkonového tranzistora osadiť 3 pinový radový konektor a použiť vodiče s prierezom 1.5mm² pre prepojenie PCB a tranzistora na chladiči.

Transformátor

Dosku zdroja musíte napájať striedavým napätím 24 V. Čínsky predajcovia odporúčajú transformátor s výstupným prúdom 3 A. Osobne som sa pozeral aj po čínskych transformátoroch, ale odradila ma jednak cena, poštovné  a aj nemožnosť overenia, či sa jedná naozaj o medené vinutie. V tomto radšej verím tunajším predajcom a tunajším výrobcom. Tu tak isto môžte použiť niečo zo svojich zásob, transformátor však musí byť patrične dimenzovaný s výkonom, ktorý si jednoducho vypočítate podľa vzorca:

U x I = P

kde:

U - je maximálne výstupné napätie zdroja 30V_DC
I - je maximálny výstupný prúd zdroja 3A_DC
P - je výkon zdroja pri U_MAX a I_MAX

Samozrejme, nemôžete ísť s transformátorom a jeho výkonom tak povediac "na doraz", preto je dobré počítať a s výkonovou rezervou min. 10W. Výsledným transformátorom pre váš zdroj bude preto najvhodnejší transformátor s výkonom 100VA až 120VA.

Dobré potenciometre

V zásade môžete začať kompletovať stavebnicu zdroja aj s dodanými komponentami. Existuje však množstvo užitočných doplnkov, ktoré môžem odporučiť a verte, že sa vám tak zvýši úžitková hodnota vášho nového zdroja ako celku. Dva dodané miniatúrne potenciometre samozrejme pre základné potreby zdroja plne postačujú, ale presné nastavenie napätia a prúdu s nimi jednoducho nepripadá do úvahy. Je preto vždy lepšie použiť desaťotáčkové potenciometre. Ja osobne uprednostňujem pri regulácii napätia 10 otáčkový potenciometer, pri regulácii prúdu mi postačuje aj klasický potenciometer, nakoľko napríklad vždy potrebujem nastaviť 3.3 V presme, ale pri prúde 1.31 A nie.

Kvalitné 10 otáčkové potenciometre si môžte zakúpiť na tomto odkaze - klikni (Aliexpress)

Meradlá napätia a prúdu

Žiaden zdroj nie je plnohodnotným zdrojom bez meradiel, na ktorých môžete odčítať napätie a prúd. V dnešnej dobe na to každý používa digitálne panelové merače. Nepovažujem to však za nutnosť pre tento zdroj, pretože sa nejedná v tomto prípade o laboratórny zdroj s požiadavkami na presné hodnoty výstupného napätia odoberaného a meraného s vysokou presnosťou. Okrem toho je potrebné ešte doriešiť dodatočne napájanie digitálneho panelového meradla, čo je pri zabudovaní do zariadenia zvyčajne znamená problém v podobe ďalšieho, alebo drahšieho transformátora s viacerými odbočkami. Preto odporúčam použiť dva analógové panelové meradlá typu 85C1 zobrazené nižšie. Tieto 30 V a 3 A meradlá s presnosťou ± 2,5% a rozmermi 65 mm na 56 mm stoja každý okolo 6 € a sú dostatočne presné pre potreby tohoto zdroja. Osobne si myslím, že zdroj s nimi získa veľmi pekný vzhľad s nádychom nostalgie starších prístrojov.

Voltmeter 85C1 - klikni (Aliexpress)

Ampérmeter 85C1 - klikni (Aliexpress)

Konštrukcia regulovateľného zdroja

Tak, ako sa na čínsky produkt patrí, tak sa aj táto stavebnica dodáva bez akéhokoľvek  konštrukčného popisu. Je pravda, že túto stavebnicu môžete zložiť dokopy aj bez papierovania na základe potlače komponentov na PCB. Na internete je však dostupná stránka, z ktorej si môžete stiahnuť veľmi podrobný popis konštrukcie (33 stránok!) tohto regulovateľného zdroja:

Kliknutím na tento odkaz si stiahnite popis konštrukcie - klikni

Pokyny pre oživenie

Pripojenie napájacieho napätia

Niekedy sa stane, že napájací zdroj sa spustí v režime CC s napätím na výstupe 0 V. LED indikujúca režim CC sa potom rozsvieti a obvod nie je možné ovládať. Našťastie pomôže vypnutie a znova zapnutie sieťového napätia. Táto podivná reakcia pravdepodobne súvisí s neobvyklým zapojením obvodu, ktorý generuje vnútorné referenčné napätie.

Nastavenie trimra R7

Týmto nastavovacím trimrom musíte kompenzovať offset operačného zosilňovača OP1 - TL081. Otočte potenciometer, ktorý slúži na nastavenie výstupného napätia (R13) do ľavej polohy (0V). Teraz otáčajte vyššie uvedeným trimrom, až kým napájací zdroj nedodá výstupné napätie presne 0,0 V. Toto napätie skontrolujte dodatočne pripojeným multimetrom na výstupe zdroja. Týmto postupom ste nastavili to, že pri "stiahnutom" napäťí na 0V, bu de napätie napätie na výstupe naozaj 0V.

Správanie sa zdroja pri zapnutí a vypnutí

Tak ako bolo popísané,  napájací zdroj obsahuje obvod, ktorý zaisťuje, že pri zapínaní a vypínaní napájacieho zdroja nedôjde k žiadnym napäťovým špičkám na jeho výstupe. Pokiaľ sa na to chceme pozrieť bližšie, nastavte napájací zdroj na napätie 12 V, prúd 1 A a zaťažte ho výkonovým odporom 22 Ω. Potom zdroj zapnite a opäť ho vypnite. Celý priebeh udalosti môžte pozorovať na osciloskope. Na fotografii nižšie sú zachytené obe pozorovania do jednej fotografie. To jasne ukazuje, že zdroj sa skutočne správa dobre. Pri zapínaní a vypínaní si všimnite rozdiel v rýchlosti časovej základne. Obvod okolo tranzistora VT3 zjavne veľmi rýchlo zapne výstupné napätie, keď je nabitý elektrolytický kondenzátor.

Meranie stability a zvlnenia výstupu pri výstupnom napätí 5,0 V.

V nasledujúcej tabuľke je zhrnuté správanie sa napájacieho zdroja pri výstupnom napätí 5,0 V a rastúcej záťaži na 2,0 A. Zvlnenie bolo merané pomocou analógového milivoltmetra Philips PM2454. Aby sme uviedli výsledky v perspektíve: medzi nulovým a plným zaťažením poklesne výstupné napätie iba o 47 mV. To zodpovedá vnútornému odporu 0,023 Ω.

Popri klasickom meraní bolo vykonané meranie zvlnenia aj na osciloskope so záťažou 2 A. Pri najcitlivejšom nastavení 1 mV / div je vidieť veľmi malé množstvo 100 Hz brumu a pre zvyšok asi päť mV šum.

Meranie stability a zvlnenia výstupu pri výstupnom napätí 24,0 V.

Tu je zreteľne viditeľné, že napájací zdroj už nie je schopný udržať stabilitu výstupného napätia pri prúdoch vyšších ako 1 A. Bližšie skúmanie ukazuje, že vinníkom je transformátor. Nestabilizované jednosmerné napätie na C3 klesá z 33,83 V pri nezaťaženom stave na 26,79 V pri plnom zaťažení, čo ponecháva príliš malé napätie pre riadiaci systém na doske plošných spojov.

Ako ukazuje nižšie uvedený oscilogram, hodnota zvlnenia 1,15 V pri zaťažení 2,0 A nie je až taká prekvapujúca. Môžete vidieť zvlnenie 100 Hz, pochádzajúce z mostíkového usmerňovača, prítomné na výstupnom napätí.

Stabilita a zvlnenie výstupu pri výstupnom napätí 30,0 V.

Nie je prekvapením, že výsledky pri napätí 30,0 V sú horšie. Napájací zdroj preto nemôže pri takom výstupnom napätí dodať viac ako 0,5 A. Všetko je v tomto prípade o výkonetransformátora a o chladení výkonového tranzistora.

Tepelná stabilita

Toto meranie je vykonané na štandardnom chladiči, ktorý je odporúčaný ako doplnok k stavebnici tohoto zdroja (v konštrukcii som použil iný - masívnejší chladič). Tu tiež platí, že môžte pohľadať vhodný chladič vo svojich zásobách a čím väčší, tým lepší.

Šum a stabilita v CC režime

Schopnosť obmedziť maximálny prúd v režime CC je pri experimentovaní primárne zamýšľaná ako bezpečnostný prvok. V bežnej sa totiž často nestáva, že skutočne použijete napájací zdroj ako zdroj konštantného prúdu. Pre úplnosť tohto testu je dobré uviesť aj to ako vyzerá výstupné napätie pri práci v režime CC. Zdroj bol nastavený bez záťaže na 16 V a bol k nemu pripojený rezistor 8 Ω. Na zdroji bol nastavený prúd na 1,0 A. Napájací zdroj pracuje v režime CC a cez osciloskop môžete zistiť, ako vyzerá napätie . To je sklamanie! Pomocou milivoltmetra pripojeného na výstupe je striedavé napätie najmenej 48 mV. Takže v režime CC je vo výstupnom napätí veľmi veľké, zvláštne tvarované zvlnenie. Ak je prúdový potenciometer"vytočený", kým nezhasne LED a napájanie sa nevráti do režimu CV, tak toto veľké vlnenie zmizne.

Záver

Je pravda, a určite mi dáte za pravdu aj vy, že táto stavebnica zdroja je asi najpredávanejšou stavebnicou u čínskych predajcov celkovo. Rovnako mi určite dáte za pravdu, že väčšina z vás už tento zdroj stavala a aj postavila a aj ho denno denne používa. Jedno doporučenie - vstupný kondenzátor C1 - 3 300 μF, je málo na to, aby ste zo zdroja mohli odoberať vyššie nastavené napätia, bez kolísania napätia na výstupe, preto ho odporúčam nahradiť väčšou kapacitou a to aspoň 10000 μF/50V.

Túto stavebnicu pre jej jednoduchosť a kvalitu vyhotovenia odporúčam najmä vám, ktorý začínate s elektronikou a tak povediac si budujete vašu prístrojovú základňu. Zostavenie tohto zdroja je pomerne jednoduché a zvládne ho aj človek s priemernými znalosťami tak za jednu hodinu - nepočítam výrobu skrinky a jej osadenie potrebnýmy doplnkami. Osobne som už postavil tri takéto zdroje s rôznymi úpravami a každý z nich fungoval na 100% hneď po zapnutí.

Kde kúpiť?

Stavebnica zdroja 30V / 3A - klikni  (Aliexpress)

Chladič koncového tranzistora - klikni (Aliexpress)

Stavebnica zdroja 30V / 3A - klikni  (Banggood)

Kvalitné 10 otáčkové potenciometre si môžte zakúpiť na tomto odkaze - klikni (Aliexpress)