Fórum ElektroLab.eu

Konštrukcia regulovateľného zdroja pre bežné dielenské použitie 30V / 5A

Konštrukcia regulovateľného zdroja pre bežné dielenské použitie 30V / 5A
Filip Vereš Pridal  Filip Vereš
  505 zobrazení
4
 0
Zaujímavé zapojenia

Na začiatku tejto konštrukcie bola myšlienka zostrojiť regulovateľný zdroj, ktorý by nemal chýbať v žiadnej dielni bežného elektrotechnika. Regulovateľný zdroj bežne používame na zmenu napájacieho napätia pre rôzne ďalšie zariadenia a obvody. Toto zariadenie nám ponúka stabilizované napätie. Tento typ konštrukcie som si vybral z dôvodu jeho jednoduchosti na zostrojenie, a celkovú realizáciu. Zdroj má napriek svojej jednoduchosti pomerne veľký výkon - 150W. Realizácia projektu bola pomerne jednoduchá, nakoľko toto zapojenie je veľmi známe. Doska plošného spoja bola navrhnutá v programe Eagle. Leptanie sa zdarilo na prvý krát. Po leptaní prišiel čas na nákup komponentov a následné spájkovanie, ktoré trvalo asi 2 hodiny. S oživením zdroja bol síce menší problém pre nastavovanie maximálneho výstupného napätia, no všetko sa nakoniec úspešne vyriešilo.

Tento zdroj budem využívať vo svojej elektrotechnickej dielni ako skúšobný zdroj jednosmerného napätia a prúdu pre moje pokusy.

Trocha teórie na úvod

Napájací zdroj je elektronický obvod, ktorý zabezpečuje elektrickú energiu požadovaných parametrov - obvykle s konštantným napätím. Zdrojom stabilného napájacieho zdroja je sieťové napätie. Z hľadiska charakteru a činnosti elektronického zariadenia alebo jeho častí, sú jeho požiadavky na usmerňovací zdroj rôzne. Pre niektoré druhy prístrojov stačí jednocestné, pre iné treba dvojcestné usmernenie striedavého napätia a iné sa zasa musia nevyhnutne napájať z akumulátora alebo batérie, ktoré sú dokonalé jednosmerné zdroje.1

Druhy zdrojov

Je neuveriteľné množstvo druhov zdrojov elektrického prúdu. Každý je iný, majú iné vlastnosti, iné parametre, no v konečnom dôsledku, každý plní rovnakú úlohu. Dodávajú elektrickú energiu určitému elektrickému spotrebiču. Zdroje delíme ho dvoch hlavných skupín. A to mäkké a tvrdé.1

  1. Mäkké zdroje

Za mäkké zdroje sa považujú hlavne galvanické články a akumulátory. No majú tú nevýhodu, že pri zaťažení ich napätie klesá. To sa však netýka len akumulátorov ale aj lacnejších napájacích či regulovateľných zdrojov. Väčšinou sa tieto zdroje nazývajú aj ako adaptéry.

  1. Tvrdé zdroje

Tieto zdroje sú pomerne drahé, ale aj kvalitné. Pri zaťažení takéhoto zdroja napätie nepoklesne. Preto sú lepšie na testovanie výkonnejších a citlivejších obvodov.

Konštrukcia a zapojenie zdroja

Toto je konštrukcia stabilizovaného  zdroja napätia 0 - 30V s prúdovým obmedzením.To kontroluje výstupný prúd v hodnotách od niekoľkých mA až ku niekoľkým A. Aktívne obmedzenie prúdu je viditeľne signalizované LED diódou. Zapojenie je pomerne jednoduché, napriek tomu má výsledný napájací zdroj zaujímavé parametre.

Schéma zapojenia

Schéma zapojenia zdroja

Popis konštrukcie

Celkovo má zdroj pomerne malé rozmery a jednoduchú konštrukciu. Jeho jednoduchosťou je tiež ovládanie výstupného prúdu a napätia

Sieťový transformátor – silová časť

Na tento regulovateľný zdroj bol použitý toroidný transformátor preto,  lebo je výkonnejší za pomerne nižšiu cenu a má aj menšie rozmery. Transformétor má výstupné vinutie 24V/10A je napojený na vstupe obvodu na svorky 1 a 2. Kvalita napätia na výstupe zdroja je priamo úmerná aj kvalite sieťového transformátora.Vzhľadom na to, že výstupný prúd transformátora je až 10A, je preto možné zapojenie zdroja pomerne jednoducho upraviť aj pre výstupný prúd do 10A.

Usmerňovač

Striedavé napätie sekundárneho vinutia transformátora je usmernené Graetzovým mostíkom, v ktorom sa nachádzajú 4 usmerňovacie diódy. Jednosmerné napätie na výstupe z mostíka je vyhladené RC filtrom, ktorý je tvorený kondenzátorom C1 s hodnotou 4700µF/60V a odporom R1.

Stabilizácia

Na stabilizáciu výstupného napätia sa nepoužíva spätná väzba, ale konštantný zosilňovač, ktorý zaisťuje referenčné napätie pre stabilný výstup. Referenčné napätie je generované na výstupe IO1. Zenerová dióda ZD8 zaisťuje teplotnú stabilizáciu, napätie na výstupe IO1 sa postupne zvyšuje, až kým sa ZD8 nezapne. Potom sa obvod stabilizuje a referenčné napätie ZD8 sa objaví na odpore R5. Prúd, ktorý prechádza cez neinvertujúci vstup IO je zanedbateľný, rovnaký prúd prechádza cez odpory R5 a R6. Z toho vyplýva, že napätie na dvoch sériovo zapojených odporoch bude dvakrát väčšia ako na jednotlivých odporoch (R5 a R6). Napätie na výstupe IO1 (pin 6) je 11,2V, teda dvakrát väčšie ako referenčné  ako napätie na ZD8. Integrovaný obvod IO2 má konštantné trojnásobné zosilnenie, podľa vzorca A= (R11+R12)/R11, teda zvyšuje referenčné napätie z 11,2V na približne 33V. Trimer RV1 a odpor R10 upravujú limity výstupného napätia, ktoré môže byť redukované na 0V kvôli toleranciám ďalších súčiastok.2

Obmedzenie prúdu

Ďalšou dôležitou vlastnosťou obvodu je možnosť nastaviť hodnotu maximálneho prúdu na výstupe, čím možno zo zdroja napätia v podstate urobiť zdroj konštantného prúdu. Aby toto bolo možné, obvod deteguje úbytky napätia na odpore R7, ktorý je sériovo spojený so záťažou. Integrovaný obvod IO3 je zodpovedný za funkčnosť obvodu. Invertujúci vstup IO3 je nastavený pomocou odporu R21 na 0V. Vtedy môže byť neinvertujúci vstup na IO3 nastavený na akékoľvek napätie pomocou potenciometra P2. Predpokladajme, že pre výstupné napätie niekoľkých voltov je P2 nastavený tak, aby malo napätie na vstupe IO3 hodnotu 1V. Ak je záťaž zvýšená, napätie na výstupe zostane konštantné. Vďaka sekcii zosilňovača napätia a prítomnosť odporu R7 v sérii s výstupom bude mať zanedbateľný vplyv. Kvôli jeho malej hodnote a umiestnenia mimo spätnú väzbu regulačného obvodu. Obvod je stabilný v prípade, že sa výstupné napätie a záťaž nemenia. Ak sa záťaž zvyšuje a to tak, že úbytky napätia na odpore R7 sú väčšie ako 1V IO3 je spustený a obvod poskytuje konštantný prúd. Výstup na IO3 je spojený s neinvertujúcim vstupom na IO2 pomocou D9. IO2 slúži na kontrolu napätia a IO3 je spojený s jeho vstupom, čím môže neskôr efektívne potlačiť jeho funkciu. Napätie na odpore R7 je monitorované a jeho veľkosť sa nemôže zvyšovať nad stanovenú hodnotu (v našom prípade nad 1V). Toto je princíp udržiavania konštantného prúdu na výstupe. Ak je prúdové obmedzenie aktívne tranzistor Q3 rozsvieti LED diódu D12. 2

Volt-Ampér meter

Na meranie výstupného napätia a prúdu som použil jednoduchý digitálny VA meter, ktorý má rozsah 0-100V a 0-10A. Pre meranie prúdu sme ho spojili sériovo so zápornou svorkou a pre meranie napätia paralelne s kladnou výstupnou svorkou. Na napájanie VA metra bolo použitých 12V, ktoré sa tvoria na stabilizátoroch umiestnených pod plošným spojom na chladiči. Pretože na výstupe usmerňovača je 34V tak sme použili dva stabilizátory zapojené sériovo. Najprv z 34V sa stabilizuje na 24V  a až potom na 12V.

Regulátor otáčok ventilátora

Na chladenie boli použité 2 ventilátory. Jeden s priemerom 90 mm na chladenie tranzistora, ktorý je umiestnený na zadnej časti zdroja. Druhý na chladenie vnútra krabice a chladiča na ktorom sú stabilizátory. Tento obvod pracuje na princípe NTC termistora, ktorý je súčasťou odporového deliča a dvoch tranzistorov BC337. Napájanie tohoto obvodu je taktiež cez sériovo zapojené stabilizátory.

Regulácia otáčok ventilátora

Doska plošného spoja zdroja

Obrazec plošného spoja zdroja

Výstup z programu Eagle

Osadenie a spájkovanie

Súčiastky som začal osádzať postupne a to najprv najmenšie (odpory, diódy) podľa predlohy, ktorú som si vytlačili spolu s návrhom. Na spájkovanie som použil trubičkovú spájku s obsahom tavidla. Na páskovanie bola použitá jednoduchá mikro spájkovačka s tenkým hrotom. Na rozdiel od transformátorovej spájkovačky má tú výhodu, že má lepší prístup k vývodom komponentov a má stálu konštantnú teplotu. Po prispájkovaní všetkých komponentov na cestičky cez, ktoré potečie vyšší prúd som posilnil cesty medeným drôtom, ktorý som zalial spájkou.

Osádzanie dosky plošného spoja

Zoznam komponentov

Vyhotovenie krytu

Na vyhotovenie krytu som použil hliníkový plech s hrúbkou 2 mm. Krabicu som vyrobil z 2 častí ohnutých do tvaru U, ktoré presne zapadajú do seba. Otvory boli najprv vyznačené potom vyvŕtané a pilníkom upravené do požadovaného tvaru. Krabica má také rozmery, aby nebola príliš veľká ani príliš malá a aby sa v nej jednoducho dalo manipulovať s jednotlivými časťami zdroja. Je potrebné myslieť aj na dostatočnú cirkuláciu vzduchu vo vnútri skrinky, kvôli zahrievaniu vodivých spojov, vodičov a výkonových častí, ktorými bude pretekať vyšší prúd. Na jednu zo skrutiek, ktorá upevňuje chladič tranzistora o kryt je tiež pevne uchytený uzemňovací vodič.

Celkové usporiadanie vnútornej konštrukcie.

Detail osadenia výkonového chladiča a ventilátora chladenia

Detail usmerňovacieho bloku

Oživenie zdroja a meranie na regulovateľnom zdroji

Zdroj som po dokončení zakrytovali a pripravili na jeho oživenie. Po pripojení na sieť a zopnutí zdroja sa zapne červená tlejivka ktorá indikuje stav zapnutia. Na led display sa zobrazuje aktuálna hodnota napätia  a prúdu. Napätie na výstupe si môžeme regulovať okamžite. Indikovanie prúdu začne samozrejme pracovať až keď na zdroj pripojíme záťaž. Ja som ako záťaž použil 60W žiarovku ktorú som zapojil podľa zapojenia nižšie. Po pripojení som začal postupne zvyšovať napätie na zdroji a hodnoty ktoré ukazovali meracie prístroje som si zapisoval nižšie do tabuľky.

Schéma pripojenia žiarovky k zdroju ako záťaž

Tabuľka nameraných hodnôt

Zdroj Meracie prístroje Rozsahy
Napätie Prúd Napätie Prúd Volt meter Ampér meter
1.05 0.55 1 0.4 1.5 1
2.25 0.7 2.2 0.5 3 1
4.33 0.9 4.1 0.65 7.5 1
5.30 1 5 0.7 7.5 1
7.06 1.2 6.8 0.8 7.5 1
8.40 1.2 8 0.89 15 1
10.5 1.35 10.2 0.99 15 1
11.9 1.4 11.4 1.05 15 10
14.2 1.5 13.7 1.15 15 10
16.2 1.6 15.7 1.2 30 10
18 1.65 17.4 1.3 30 10
20.5 1.7 19.8 1.4 30 10

 

Meraniami bolo zistené že zdroj je celkom stabilný.  Voltmeter môžem považovať za priemere presný. No ampérmeter so svojou TP 5,0  považujem len ako informatívny. Merania boli prevádzané na prístrojoch  ktoré svojou presnosťou považujem za presné. A to voltmeter s TP 0,2 a ampérmeter s TP 0,5.

Záver

Zdroj bol zhotovený a odskúšaný. Vyhovuje normám, ktoré sú pre bezpečné používanie elektrických zariadení nevyhnutné. Tento zdroj si môže doma zostrojiť aj menej skúsený elektrotechnik. Myslím, že je vhodný pre každého ako jednoduchý regulovateľný zdroj a vďaka jeho výkonu má všestranné využitie. Žiaľ ampérmeter je pomerne veľmi nepresný, ale na trhu je viac modelov, ktoré majú určite vyššiu presnosť. S toho dôvodu jeho namerané hodnoty považujem skôr za informatívne.

Zdroje

[1] Kupkovič, F., Gáži, I., Elektronické zariadenia I, vydavateľstvo technickej a ekonomickej literatúry, Bratislava, 1980

[2]  Elektro svet pre všetkých kutilov, dostupné na : http://elektrosvet.svet-stranek.cz/nova-stranka-96766/, august 2015



Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár. Pridáte prvý? Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

Webwiki ButtonSeo servis