Стабилизатор напряжения и тока 3.3…24 В, 0.6…4 А

Нестабилизированные источники питания, в которых применён силовой понижающий трансформатор, обычно имеют небольшие габариты при относительно высокой выходной мощности, но область их применения оказывается ограниченной из-за невозможности регулировать выходное напряжение.

Чтобы расширить варианты применения источников пи­тания с нестабилизированным выходным напряжением или со стабилизированным нерегулируемым выходным напряже­нием, можно изготовить несложное устройство, о котором пойдёт речь в этой статье.

Рис.1

Принципиальная схема устройства показана на рис.1. Ус­тройство представляет собой линейный регулируемый ком­пенсационный стабилизатор напряжения постоянного тока, рассчитаный на выходное стабилизированное напряжение 3.3…24 В. Также, устройство может работать как регулиру­емый стабилизатор выходного тока 0.6…4 А, такая возмож­ность позволяет использовать конструкцию для зарядки ак­кумуляторных батарей и для питания мощных светодиодных светильников. Этот стабилизатор можно подключить к любо­му источнику питания постоянного тока с выходным напряжением 7…32 В или переменного тока 8…24 В [1]. Входное напряжение постоянного тока должно быть не менее чем на 4 В больше выходного напряжения при токе подключенной нагрузки 4 А. Ток потребления без нагрузки у стабилизатора около 30 мА при вход­ном напряжении 28 В по­стоянного тока.

Штекер ХР1 подключа­ют к выходу блока питания или к аккумуляторной ба­тарее. Наличие мостового диодного выпрямителя VD1 позволяет подключать ус­тройство, как к источнику напряжения постоянного тока, так и переменного. Конденсаторы большой ём­кости С6, С7 сглаживают пульсации входного напря­жения питания. Светодиод HL1 светит при наличии напряжения питания, ре­зистор R5 ограничивает ток через этот стабили­трон.

Узел регулируемого стабилизатора напряжения реализован на элементах DA1, VT6-VT10, VD3, R14- R23, С11. Выходное напря­жение регулируют пере­менным резистором R16. Чем меньше будет установленное сопротивление этого резистора, тем меньше бу­дет напряжение на выходе стабилизатора (клеммы ХР2). Источник опорного напряжения реализован на стабилитроне VD3, который питается током около 3 мА от источника ста­бильного тока, собранном на VT9, VT10, R21-R23. Наличие источника стабильного тока для питания стабилитрона, вме­сто обычно устанавливаемого в таких случаях резистора, поз­воляет повысить стабильность выходного напряжения, кото­рое можно будет регулировать в широких пределах.

На транзисторах VT6VT8 собран мощный повторитель на­пряжения с выхода DA1. При уменьшении тока подключен­ной к выходу стабилизатора нагрузки, выходное напряжение стремиться увеличиться, вместе с этим увеличится напря­жение на неинвертирующем входе DA1, что повлечёт за со­бой уменьшение напряжения на выходе DA1 (выв. 10). Та­ким образом, осуществляется стабилизация выходного напря­жения. Корректирующий конденсатор С13 препятствует са­мовозбуждению DA1. Конденсаторы С15, С16 блокировочные по цепи выходного напряжения. Диод VD4 защищает элемен­ты стабилизатора от повреждения при подаче на выход ус­тройства напряжения в обратной полярности, например, от заряженного конденсатора. Светодиод HL3 светит при нали­чии напряжения на выходе, его яркость свечения зависит от установленного выходного напряжения. Микросхема DA1 получает питание через RC фильтр R24C12.

Узел защиты от перегрузки, реализованный на транзис­торах VT1-VT5 и элементах их обвязки также осуществляет функцию стабилизатора выходного тока. Переменным рези­стором R3 регулируют порог срабатывания защиты от пере­грузки по току. При увеличении тока нагрузки растёт паде­ние напряжения на резисторе R1. Это приводит к открыва­нию германиевого транзистора VT1. Чем больше открывает­ся этот транзистор, тем больше открываются транзисторы VT2, VT5. Открытый транзистор VT5 шунтирует на общий про­вод выход DA1, что приводит к уменьшению напряжения на выводе базы VT6, и, соответственно, к уменьшению напря­жения на выходе стабилизатора напряжения. Резистор R20 ограничивает выходной ток  DA1.

На элементах VT2VT4, R8, R9 , R10, R13 и светодиоде HL2 собран узел индикации работы устройства в режиме ог­раничения выходного тока. Чтобы яркость свечения свето­диода HL2 меньше зависела от входного напряжения пита­ния, этот светодиод питается током около 8 мА от источни­ка стабильного тока, собранном на VT3, VT4. Конденсатор C10 предотвращает самовозбуждение VT3, VT4. При рабо­те устройства в режиме стабилизатора выходного тока уро­вень пульсаций напряжения на его выходе увеличивается. Для индикации тока подключенной нагрузки установлен ми­кроамперметр РА1. Резистор R12 ограничивает ток через катушку микроамперметра, диод VD2 защищает РА1 от пе­регрузки.

Устройство было изготовлено в компактном корпусе, что не позволило установить теплоотводы достаточных размеров, пришлось использовать принудительное воздушное охлажде­ние. При увеличении температуры теплоотвода, на который установлен мощный транзистор VT7, сопротивление закреп­лённого на нём терморезистора RT1 уменьшается. При умень­шении сопротивления RT1 растёт напряжение база-эмиттер VT11, когда оно превысит 0.5…0.6 В, триггер Шмитта, со­бранный на VT 11, VT12, R28, R29 переключится, стабилитрон VD6 разблокируется, на охлаждающий вентилятор М1 посту­пит напряжение питания около 14 В. Термодатчик питается стабильным напряжением около 5.1 В от параметрического стабилизатора напряжения, собранном на R27, VD5, С17. Подстроечным резистором R26 устанавливают порог вклю­чения М1. Узел охлаждения получает питание через LC фильтр L1С18. При входном напряжении питания устройства менее 15 В постоянного тока, эффективность принудительного воз­душного охлаждения понижается.

Конструкция и детали

Рис.2

При разработке устройства было принято решение, там, где это возможно, применять отечественные комплектующие, что незначительно усложнило конструкцию. Большинство де­талей установлены на двух монтажных платах размерами 170×50 мм и 46×43 мм, рис.2, рис.3. На плате большего размера размещены элементы узлов стабилизатора напря­жения, на второй плате смонтированы детали термореле.

Рис.3

Резистор R1 проволочный мощностью 5… 15 Вт, чем боль­ше будет мощность этого резистора, тем он будет меньше на­греваться, тем с большей точностью будет поддерживаться работа устройства в режиме стабилизатора выходного тока. Остальные постоянные резисторы типов С1-4, С1-14, С2-14, С2-33, МЛТ, РПМ и другие общего применения соответству­ющей мощности. Переменные резисторы СП4-1, СП-04а, СП3-96, СПО-1, ППБ-За, ППБ-1а, СП3-33-32 и другие с ли­нейной характеристикой. Провод, идущий от R16 к выводу 4 DA1 должен быть экранированным.

Подстроечный резистор R26 любой малогабаритный. Тер­морезистор типа ММТ-1 или другой малогабаритный с отри­цательным ТКС сопротивлением 47… 100 кОм при комнатной температуре. На корпус и выводы этого терморезистора надевают изолирующие термоусадочные трубки, после чего его прикрепляют к теплоотводу как можно ближе к корпусу VT7.

Неполярные конденсаторы применены малогабаритные плёночные и керамические, например, К10-50, К73-24. Ок­сидные конденсаторы установлены импортные малогабарит­ные аналоги К50-68. Конденсатор С14 должен быть установ­лен в непосредственной близости от выводов питания DA1.

Диодный мост типа D5SB60 установлен на дюралюмини­евый теплоотвод размером 68x32x3 мм. Его можно заменить RSВ5602 — RS607, KBU6B — KBU6M. Вместо мощного диодного моста можно установить четыре выпрямительных диода, вклю­ченных по мостовой схеме, например, КД213А, HFA08PB60. Вместо диода КД521А подойдёт любой из серий КД103, КД510, КД521, КД522. Вместо стабилитрона BZV55C-3V3 можно ус­тановить 1N4728А, КС133Г, 2С133В, 2С133Г. Стабилитрон 1N4733A можно заменить на 2C147A, TZMC-5V1. Вместо ста­билитрона 1N4744А подойдёт BZX85C15ВЦRL КС515А, 2С515А. Светодиоды DB5b-448ABD синего цвета свечения, RL50N-DR343 красного и RL50N-YG413 зелёного цвета све­чения можно заменить любыми светодиодами непрерывно­го свечения, например, из серий КИПД21, КИПД40, КИПД66, L-503, L-513.

Вместо транзистора МП26А подойдёт любой из серий МП26, МП25. Транзисторы КТ645А можно заменить любыми из КТ645Г, КТ645К, КТ6111, КТ6114, КТ646. Этими же тран­зисторами можно заменить транзисторы КТ312А и КТ503А. Вместо транзистора КТ818ГМ подойдёт КТ818АМ, КТ818БМ, КТ818ВМ, 2Т818А, 2Т818Б, 2Т818В, КТ865А. Подойдёт эк­земпляр с коэффициентом передачи тока базы не менее 40 при токе коллектора 2 А. Этот транзистор установлен на иголь­чатый дюралюминиевый теплоотвод с площадью охлаждаю­щей поверхности около 200 см2. С таким теплоотводом без принудительного воздушного охлаждения транзистор будет способен рассеять около 10 Вт тепловой мощности. Транзи­стор КТ817Г можно заменить КТ817Б, КТ817В, КТ819В, 2Т819В2, КТ863А с коэффициентом передачи тока базы не менее 100. Этот транзистор установлен на теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности 6 см2. Вместо транзи­стора КТ814В можно установить КТ814Г, КТ816В, КТ816Г, 2Т837Д, КТ837Ф. Транзистор установлен на латунный тепло­отвод 27x24x1 мм.

Микроамперметр типа М68501, М4761, М4167, или ана­логичный от индикатора уровня записи/воспроизведения оте­чественного магнитофона. На таком же микроамперметре можно изготовить вольтметр с растянутой шкалой, включен­ный по схеме [2].

Дроссель L1 любой малогабаритный с сопротивлением ка­тушки до 1 Ом индуктивностью от 100 мкГн. Вентилятор М1 установлен 50 мм «компьютерный» от охладителя процессо­ров Pentium-3 с частотой вращения около 4500 об/мин. С таким вентилятором и указанными ранее размерами тепло­отводов стабилизатор способен рассеивать около 50 Вт теп­ловой мощности. Вид на компоновку узлов в корпусе пока­зан на рис.4. В качестве корпуса использована пластмассо­вая коробка размерами 232x60x57 мм (см. фото в начале статьи). В корпусе просверлено около 250 вентиляционных отверстий диаметром 3.7 мм. Масса изготовленной конструк­ции около 600 грамм.

Рис.4

Настройка

Для настройки безошибочно собранного устройства на его вход подают напряжение около 24 В постоянного тока, на выходе устанавливают напряжение 12 В. Подбором сопро­тивления резистора В1 устанавливают максимальный ток сра­батывания защиты (стабилизации тока) 4…4.5 А. Подав на вход напряжение 30 В постоянного тока, подбором сопротив­лений резисторов R14, R16, R18 устанавливают верхнюю и нижнюю границы выходного напряжения. Подбором сопро­тивления резистора R12 устанавливают чувствительность ми­кроамперметра РА1. Подвижный контакт подстроечного ре­зистора R26 устанавливают в такое положение, при кото­ром вентилятор будет включаться при температуре корпуса VT7 45…55°С.

Если на базе стабилизатора, собранного по схеме рис.1, вы захотите изготовить полноценный блок питания, то для понижающего трансформатора подойдёт трансформатор с Ш-образным магнитопроводом с площадью центрального кер­на не менее 15 см2. Первичная обмотка содержит 780 вит­ков обмоточного провода диаметром 0.43 мм. Вторичная обмотка наматывают обмоточным проводом диаметром 1.3 мм, содержит 90 витков. Намотка виток к витку, между слоями обмоток прокладывают слой тонкой бумаги, между первич­ной и вторичной обмотками ук­ладывают 6… 10 слоев лакоткани. Вместо самодельного трансформатора можно при­менить аналогичный готовый, например, ТС150-1. Схема подключения понижающего транс­форматора к стабилизатору напряжения показана на рис.5.

Рис.5

Терморезистор RT2 с отрицательным ТКС ограничивает пу­сковой ток включения. Подойдёт любой аналогичный сопро­тивлением 8.2…47 Ом, например, из импульсного блока пи­тания от компьютерного монитора, телевизора, компьютер­ного ИП.

Литература:

  1. Бутов А.Л. Мощный источник питания АБК-11 -18-5. // Электрик. — 2011. — №10. — С.50-52.
  2. Бутов А.Л. Мощный экономичный блок питания с им­пульсным стабилизатором. // Электрик. — 2010. — № 7-8. — С.60-63.

 Автор: Андрей Бутов, с. Курба Ярославской обл

Возможно, вам это будет интересно:

Постоянная ссылка на это сообщение: http://meandr.org/archives/36697

Добавить комментарий