06.04.21

[Домашняя]

В лабораторной практике время от времени возникает необходимость в источнике питания с напряжением, превышающем традиционные для питания микросхем (5, 9, 12, ±15 В) Предлагаемое устройство может помочь в таких случаях. Источник питания имеет следующие параметры: 

выходное напряжение — 5...100 В на диапазонах                            5...55 В и 50…100 В,

максимальный постоянный выходной ток-                                         200 мА;

ограничение по току на уровне                                                         250 мА;

пульсации выходного напряжения — не более                                 10 мВ;

нестабильность выходного напряжения при изменении напряжения сети в пределах 190...240 В и выходного тока   0...200 мА — не более 0.1%. Схема предлагаемого устройства приведена на  рис 1.

Высокие электрические параметры стабилизатора обеспечены применением в качестве источника опорного напряжения и усилителя сигнала рассогласования микросхемы КР142ЕН19А. Выпрямитель собран по мостовой схеме с удвоением напряжения. Конденсаторы С1 и С2 служат для снижения уровня коммутационных помех. Транзистор VT1 является генератором тока базы выходного регулирующего транзистора VT4 Напряжение на базе VT1 стабилизировано светодиодом HL1, величина тока коллектора задана резистором R2 на уровне 8...9 ма. Выходное напряжение стабилизатора через делитель напряжения R5—R9 поступает на вход управления микросхемы DA1. Если напряжение на этом входе менее 2,5 В, ее анодный ток не превышает 0,4 мА, и практически весь коллекторный ток транзистора VT1 поступает в базу VT4, открывая его. Напряжение на выходе стабилизатора повышается и, когда напряжение на входе управления микросхемы DA1 достигнет 2,5 В, анодный ток DA1 резко увеличивается, выходное напряжение стабилизируется на уровне, определяемом делителем R5— R9. Регулировка выходного напряжения производится переменным резистором R6, переключение диапазонов — переключателем SA2. Транзистор VT2, включенный по схеме с общей базой, ограничивает напряжение на аноде микросхемы DA1 на уровне 3,3 В и уменьшает мощность, рассеиваемую этой микросхемой, до допустимой величины. Транзистор VT3 в нормальном режиме закрыт. При увеличении коллекторного тока транзистора VT4 примерно до 250 мА падение напряжения на резисторе R3 возрастает до порога открывания транзистора VT3, этот транзистор открывается и шунтирует светодиод HL1. Генератор тока на транзисторе VT1 уменьшает свой выходной ток, ток коллектора VT4 ограничивается указанной величиной. По яркости свечения HL1 можно судить о режиме работы стабилизатора. Для уменьшения мощности, рассеиваемой на транзисторе VT4 на диапазоне 5...55 В, входное напряжение стабилизатора уменьшено включением части вторичной обмотки секцией переключателя SA2.1 Отдельно следует сказать о назначении диодов VD4—VD6. Когда установлено минимальное напряжение на диапазоне 50…100 В (движок R6 в верхнем по схеме положении), при переводе переключателем SA2 стабилизатора на диапазон 5…55 В напряжение с конденсатора С7, заряженного до 50 В, прикладывается к резисторам R7—R9 и более его половины (около 30 В) — к управляющему входу DA1. Микросхема из строя не выходит, но через коллекторный переход входного транзистора DA1 это напряжение проходит на анод (вывод 3) микросхемы и закрывает транзистор VT2. В результате весь ток коллектора VT1 поступает в базу VT4, на выходе стабилизатора появляется максимально возможное нестабилизированное напряжение. Это состояние устойчиво, и самостоятельно из него стабилизатор не выходит. Для исключения такой критической ситуации установлен диод VD6. Он открывается и ограничивает напряжение на входе DA1 на допустимом уровне. Важно, чтобы в нормальном режиме диод VD6 был закрыт и не влиял на работу стабилизатора. Это достигается правильным выбором напряжения стабилизации VD3 и сопротивлений резисторов R8 и R9. При переходе с диапазона 50...100 В на 5…55В микросхема DA1 увеличивает свой анодный ток до максимально возможной величины, «пытаясь» довести выходное напряжение до заданного. При этом разряд конденсатора С7, кроме резисторов R5—R9, происходит также через диод VD5, транзистор VT2 и микросхему DA1. При отсутствии VD5 ток разрядки протекал бы через обратно смещенный эмиттерный переход VT4, пробивая его. Хотя этот пробой обратим, но нежелателен, и для его исключения установлен диод VD5. Ток разрядки ограничивает резистор R10, превращающий транзистор VT2 в генератор тока 100 мА. При перегрузке источника, как указывалось выше, в действие вступает ограничитель тока на транзисторе VT3. Однако когда напряжение на выходе снижается примерно до 2,7 В, появля­ется дополнительный ток базы транзистора VT4, текущий по цепи HL1, R1, коллекторный переход VT2 и открывающий VT4. Для его исключения установлен диод VD4, переключающий ток резистора R1 в нагрузку. Таким образом, ток в режиме ограничения не является постоянной величиной, а несколько увеличивается по море уменьшения выходного напряжения. Если диод VD4 включить между коллектором VT2 и точкой соединения коллектора VT1 и базы VT4 (катодом к VT2), ток резистора R1 не пройдет в базу VT4, но транзисторы VT1 и VT2 нельзя будет поставить на один теплоотвод без изолирующей прокладки. В блоке питания применен унифицированный трансформатор ТПП271-127/ 220-50. Выводы его первичной обмотки соединены нестандартно для некоторого уменьшения напряжения на вторичных обмотках. При самостоятельном изготовлении трансформатора следует ориентироваться на напряжения холостого хода обмоток, указанные на рис. 1. При этом надо обеспечить достаточно низкие сопротивления обмоток, примерно такие, как у указанного трансформатора: первичной — 56 Ом, обмотки 13-16 —2,3 Ом, 17-18 —1,3 Ом. Для этого габаритная мощность трансформатора должна быть порядка 60 Вт. Все постоянные резисторы в устройстве — С2-23 или МЛТ соответствующей мощности, R6 — ППЗ-40. Конденсаторы С1 и С2 — КМ-5 с ТКЕ не более М1500 (их рабочее напряжение 160 В), СЗ, С4. С7 — импортные аналоги К50-35, С5 — КМ-5 или КМ-6, С6 и С8 — К73-17 на напряжение 250 В. Диоды 1N4007 имеют отечественный аналог КД243Ж, можно использовать любые диоды на напряжение не менее 200 В и ток 300 мА. Вместо КД509А можно установить любые диоды на ток 300 мА. Все мощные транзисторы должны иметь коэффициент передачи тока hэ13 не менее 30, VT4 следует подобрать по этому параметру при токе коллектора 200 мА. Остальные имеют, как правило, необходимый коэффициент. При замене VT1, VT2 и VT4 нужно рассчитывать на предельное напряжение коллектор-эмиттер не менее 160 В и ток коллектора порядка 100 мА и более для VT1 и VT2 и 1 А для VT4 Транзистор VT3 —любой кремниевый маломощный структуры р-п-р. Светодиод HL1 — любой видимого свечения. Возможно, что при применении зеленого или желтого светодиода придется несколько увеличить сопротивление резистора R2 для сохранения коллекторного тока VT1 Микросхему КР142ЕН19А можно заменить на TL431. Основная часть элементов стабилизатора размещена на печатной плате размерами 50x75 мм, изготовленной из стеклотекстолита толщиной 1.5 мм (рис. 2, вид со стороны печатных проводников).

На этой же плате находится общий ребристый теплоотвод транзисторов VT1 и VT2 с габаритными размерами 20x24x38 мм Транзистор VT4 установлен на теплоотводе с размерами 36x100x140 мм. Диод VD5 подпаян непосредственно к выводам этого транзистора. При настройке блока питания желательно воспользоваться лабораторным регулируемым автотрансформатором. Установив резистор R6 в положение минимального сопротивления, переключатель SA2 — в положение «5…55 В», и подключив к выходу вольтметр, следует убедиться, что по мере увеличения напряжения на входе блока его выходное напряжение также увеличивается, но дойдя примерно до 5 В, фиксируется на этом уровне. Если это так, можно увеличить входное напряжение до 220 В и проверить напряжение на некоторых элементах устройства — на стабилитроне VD3 оно должно быть близко к напряжению его стабилизации (3 9 В), на верхнем по схеме выводе резистора R8 около 3,3 В Падение напряжения на резисторе R2 должно составлять около 1,1 В, если оно больше, следует пропорционально увеличить сопротивление этого резистора для сохранения тока через него на уровне 8...9 мА. Далее следует подобрать сопротивления резисторов R5, R7, R9. Для этого следует установить SA2 в положение «5…55 В», резистор R6 — в положение максимального сопротивления. Подобрать R9 такого сопротивления, чтобы выходное напряжение было чуть более 55 В. Перевести движок R6 в другое крайнее положение, и подбором R7 добиться выходного напряжения чуть менее 5 В, Затем, установив SA2 в положение «50... 100 В», подобрать R5 для обеспечения диапазона регулировки выходного напряжения в указанных пределах. Следует проверить работу блока с максимальной нагрузкой. Если при максимальном выходном напряжении на каком-либо диапазоне увеличение тока приводит к снижению этого напряжения, депо в недостаточном напряжении на соответствующей вторичной обмотке или высоком сопротивлении обмоток. Миллиамперметр для контроля выходного тока можно включить в разрыв провода, идущего от эмиттера транзистора VT4 к печатной плате. Через него будет течь ток делителя R5—R9, поэтому стрелку прибора при включенном блоке следует установить на нуль корректирующим винтом. Стабилизатор можно дополнить переключателем, которым можно будет выбрать предел ограничения выходного тока (рис 3).

Сопротивление введенной части цепочки резисторов должно обеспечивать при предельном токе падение напряжения около 0,6 В. Блок питания по приведенной схеме нетрудно рассчитать на любой диапазон регулировки выходного напряжения с верхним пределом 50... 500 В. Транзисторы (кроме VT3) следует выбрать примерно с полуторакратным запасом по напряжению относительно максимального выходного напряжения. Генератор тока на VT1 должен выдавать ток примерно в 1,2 раза больший, чем выходной ток источника, поделенный на коэффициент передачи тока h21э транзистора VT4. Если блок рассчитывается на ток более 1 А, в качестве VT4 необходимо использовать составной транзистор. Ток резистора R1 и делителя R5—R9 может быть в пределах 4...10 мА. Если стабилизатор проектируется на фиксированное или регулируемое в небольших пределах выходное напряжение, диоды VD5 и VD6 можно не устанавливать.

Схемотехника №6 2002г стр. 8