Мощный регулируемый источник питания

Данная статья посвящена вопросу питания 12 В техники, в том числе автомобильной электроники, от электросети 220 В/50 Гц.

Автомобильной аппаратуры, рассчитанной на напряжение питания 12 В, у нас накапливается все больше. Нередко она лежит совсем невостребован­ной. Однако, такая аппаратура обладает рядом пре­имуществ перед более крупногабаритным стацио­нарным азиатским ширпотребом, и оказывается удобной и при эксплуатации в домашних условиях. Но далеко не каждый источник питания хорошо под­ходит для совместной работы с такой техникой.

Кое-что об автомобильной аппаратуре

Парк автомобильной аппаратуры необычайно приумножился, особенно за последние лет десять. Зачастую автомобиля уже нет, а его аппаратура ос­тается, причем, в рабочем состоянии. По ценовым категориям условно можно даже классифициро­вать эту технику на несколько «типов», как аппара­туру очень дорогостоящую, затем — подешевле, и наконец, технику доступную в приобретении рядо­выми гражданами — бюджетную.

Автомобильной аппаратуры у нас чрезмерно добавилось. Причем обычно ее нужно приспосаб­ливать (например, «раскодировать»), а если тех­ника еще и неисправная, то требуется и ремонти­ровать.

Автомобильная аппаратура…для квартиры

Все чаще разную автомобильную аппаратуру используют и не совсем стандартно — в качестве домашних стационарных «комбайнов». В принци­пе, это оправдано, ведь эта техника высококаче­ственная, да еще и малогабаритная. Обычный не­дорогой азиатский стационарный ширпотреб уже серьезно поднадоел своей «однобокостью» и при­митивизмом. Ему присущ ряд специфических не­достатков, которые, кстати, обычно отсутствуют даже в относительно недорогой автотехнике. Ес­ли громыхающая и дорогостоящая аппаратура с сабвуферами нужна далеко не каждому, то каче­ственно работающий радиоприемник, магнитофон или проигрыватель СD-дисков нужен многим. Са­мое привлекательное, что автотехника почти все­гда меньше по габаритам, чем стационарная, с аналогичными характеристиками. Естественно, для эксплуатации автомобильной аппаратуры в домашних условиях, необходимо иметь мощный (по энергоемкости) аккумулятор или же, соответ­ствующий сетевой источник питания (ИП). Чтобы можно было подключать любую, в том числе, самую мощную аппаратуру, необходимо изготовить и мощный ИП.

Дело в том, что проблема 12 В мощных ИП так и не осталась решенной, т.е. налицо их дефицит в широкой продаже.

С ценами на мощные ИП также встречаются не­приятности. Как правило, существует непропорци­ональная зависимость цены мощного ИП от его па­раметров. Часто бывает такое несоответствие в цене, например, когда максимальный ток ИП уве­личен вдвое, а цена — в три-пять раз. Отсюда и не­угасаемый, постоянно растущий спрос на ИП, в том числе и на мощные. Для мощной автомобиль­ной аппаратуры нужен фактически сетевой «ана­лог» автомобильного аккумулятора.

Если собрать самому 12 В ИП с выходным то­ком 5-10 А, то можно сэкономить примерно в двадцать раз! Неплохой стимул для творчества…

Многие стали задаваться вопросом: а может ли мощный 12 В качественный и современный ИП быть собран без применения мощных полевых транзисторов?

Поскольку количество производимых полевых транзисторов (ПТ) превышает количество бипо­лярных, то наблюдается настоящий бум и популя­ризация применения мощных ПТ.

О схемах мощных ИП на ПТ

Любительские схемы стабилизаторов напряже­ния (СН) на ПТ нередко собраны не оптимально. Например, шунтируют выводы ПТ конденсаторами значительной емкости (десятые доли мкФ и более), не устраняя истинную причину неустойчивой рабо­ты СН с ПТ. И вообще, используется схемотехника ИП и СН, подходы, как в биполярных СН, но забы­вается, что ПТ управляется напряжением, а не то­ком. Затвор для схемы драйвера (раскачки ПТ) представляет собой конденсатор. Да, его нужно перезаряжать. Чем выше частота, тем чаще нужна перезарядка затворной емкости. Но увеличивать (умножать) затворную емкость, добавлять к ней конденсаторы не имеет смысла, т.к. это лишняя нагрузка для драйверов. Гашение таким способом са­мовозбуждения СН напоминает гашение пожара подливанием масла в огонь.

Хуже всего то, что, как правило, такие СН на ди­намическую нагрузку работают неудовлетвори­тельно. Таким образом, необязательно применять мощные ПТ в мощных СН для питания 12 В аппа­ратуры, чтобы получить хороший результат.

Существуют схемы СН и ИП — настоящие шеде­вры. Причем, совсем без применения полевых транзисторов и микросхем. Это такие СН, которые собраны уже в десятках экземпляров (в разном конструктивном исполнении) и безукоризненно эксплуатируются, т.е. проверены на протяжении многих лет подряд.

Они зарекомендовали себя надежностью и ус­тойчивой работой с любыми типами нагрузок. Здесь работает все тот же принцип: меньше кас­кадов — меньше и неожиданных проблем.

Схема источника питания

Схема одной из конструкций ИП представлена на рисунке. За основу данной схемы взят серийно выпускавшийся много лет тому назад ИП типа ИПС-1. Правда, он рассчитан был лишь на выход­ной ток не более 1 А.

Сетевой трансформатор, его выключатель и предохранитель со светодиодом индикации под­ключения к электросети, не схеме не показаны. В каждом конкретном ИП исходили от предназначения ИП. От выбора сетевого трансформатора напрямую зависят возможности ИП, в плане максимального тока СН. Несмотря на кажущуюся схемную просто­ту, остановимся на нескольких моментах.

Диодный мост лучше выполнить на диодах Шоттки. Тогда при токе в нагрузке до 4 А этим ди­одам вообще не понадобятся никакие радиаторы. Оксидные конденсаторы фильтра выбирают из со­отношения, не менее 1 -2 тысячи мкФ на один ам­пер тока в нагрузке.

Защита от перегрузки

В этом ИП защита с ограничением тока работает просто, но четко и надежно, а главное — безотказно. Здесь учтено все, что касается «непонятных» выходов из строя транзисторов узла защиты. Так часто забы­вают о токоограничительных резисторах в защитных узлах. И нередко мы видим схемы, где транзистор в схеме защиты, в самый ответственный момент мо­жет выйти из строя. Вслед за ним может отказать и силовой транзистор. А если таковых параллель­но включено несколько? Дело здесь вот в чем.

Во-первых, такая мелочь, как наличие вместо традиционной проволочной перемычки резистора R2 очень важный нюанс. При срабатывании защи­ты сначала переходит в проводящее состояние транзистор VТ2, он, в свою очередь, включает вто­рой транзистор узла защиты VT1. Тот, соответст­венно, быстро открывается. Таким образом, своим переходом К-Э, VТ1 соединяет базу регулиру­ющего напряжение СН транзистора VТ5 с общим проводом схемы СН. Одновременно идет экстрен­ный разряд заряженных до величины почти выход­ного напряжения конденсаторов С9 и С10. Чтобы ограничить величину тока через К-Э переход VТ1, и служит резистор R2. Ситуация такова, что нель­зя при помощи к-э перехода транзистора напря­мую закорачивать заряженные конденсаторы. Традиционные однотранзисторные схемы, как правило, не обеспечивают такой надежности, как данная схема на двух транзисторах.

Кроме иных положительных качеств, исключа­ется влияние второго каскада (замыкающего ба­зу VТ5 на общий провод) на первый каскад, фор­мирующий токосъем, т.е. являющийся датчиком тока в нагрузке.

Во-вторых, очень важный момент- это схема компенсационного СН на транзисторах VТЗ и VТ4 внутри всего СН. По сути, данная схема — это вы­сококачественный источник образцового напря­жения (ИОН).

Достоинства рассматриваемого СН и ИОН

Во-первых, он сохраняет свою работоспособ­ность при минимальной разнице между входным и выходным напряжением (при его максимуме). Даже при разнице в 1 В схема еще сохраняет свою работоспособность.

Во-вторых, эффективно подавляет пульсации и помехи. Здесь это необычайно важно. Выходное напряжение СН (коллекторы мощных VТ6 и VТ7) определяется напряжением на верхнем (по схеме) выводе резистора R12.

Следовательно, оно будет максимально, когда движок потенциометра находится в верхнем поло­жении. В это время база VТ5 фактически (через помехоподавляющий резистор R13) соединена с коллектором транзистора VТ4 (выходом ИОН).

Значит, выходное напряжение СН фактически приближается к напряжению на базе VТ5. В этом состоит большая универсальность схемы. Какое напряжение будет подано на базу VТ5, почти такое же напряжение, по величине, будет присутство­вать и на выходе СН.

В-третьих важный момент заключается в пост­роении схемы ИОН. Можно легко, с помощью од­ного резистора R9 подстраивать величину напря­жения ИОН. Если поставлена задача обеспечения прецизионного поддержания напряжения, то мож­но достигнуть практически нулевого значения ТКН (для лабораторного варианта ИП). Главное, что ИОН, по сути своей — это уже СН, причем, с высо­кими техническими характеристиками. Если вни­мательно рассмотреть схему на транзисторах VТ5- VТ7, то можно увидеть, что они образуют мощный составной транзистор по схеме Шикпаи. Такая схе­ма обладает минимальным выходным сопротивле­нием за счет 100% отрицательной обратной связи (ООС) по напряжению посредством диода VD7.

Иначе говоря, данная схема является лабора­торным ИП, если все выполнить надлежащим об­разом. Для этого нужны прецизионные резисто­ры R6-R10. И не столько важно процентное отклонение его номинала, сколько нужна долго­временная стабильность сопротивлений этих ре­зисторов. Подстроечный R9, после настройки выходного напряжения, заменяют двумя обычны­ми прецизионными резисторами, предваритель­но измерив сопротивление «половинок» подстроечного резистора R9.

Повторяемость схемы

Самое главное, что нужно подчеркнуть особо. Схема обладает превосходной повторяемостью! Многочисленные эксперименты, направленные на умощнение схемы доказывали, что это сделать несложно. Схема допускает постоянный ток 10 А в нагрузке, при условии, что радиаторы VТ6, VТ7 имеют принудительное охлаждение. Доста­точно даже одного 12 В кулера. По крайней мере, при токе 10 А даже один кулер нормально справ­ляется с отводом тепла от двух экземпляров КТ827, размещенных на одном игольчатом ради­аторе с охлаждающей поверхностью 1000 см².

Применением кулеров (или других вентилято­ров обдува радиаторов) мы избегаем использова­ния очень громоздких радиаторов для VТ6 и VТ7.

Самым опасным является режим КЗ на выходе СН. Данный СН при КЗ или ограничении выходно­го тока работает в режиме генератора стабильно­го тока (ГСТ).

Конструкция и детали

Трансформатор

По сути, трансформатор — это ахиллесова пя­та большинства конструкций ИП. Качественный се­тевой трансформатор (СТ) — это почти всегда сво­еобразная проблема. Если приобрели готовый (заводской) или самостоятельно намотанный, то необходимо СТ испытать на той мощности, кото­рую реально мы будем снимать. Настоящий пере­грев СТ наступает после 30-45 минут работы, при подключенной максимально допустимой для СТ нагрузке. По нагреву СТ и отбраковывают его.

Иногда считают, что если диаметр провода вто­ричной обмотки составляет 1,8- 2,0 мм, то СТ, мол, стопроцентно выдержит длительно ток 10 А в на­грузке. При этом, опускается, каким проводом на­мотана первичная обмотка? Достаточно ли сечение магнитопровода СТ? Нюанс как раз в том и заклю­чается, что кратковременно СТ может выдерживать значительно больше, чем от него требуется. Но че­рез час трансформатор превращается в печку. В та­ких случаях максимальная мощность СТ оказывает­ся вдвое меньше той, от которой он так перегревается.

Диоды выпрямительного моста

Они могут быть, в принципе, любыми 20-амперными. Но, диоды Шоттки здесь, в низковольтных и сильноточных схемах вне конкуренции. На них малые падения напряжений, следовательно, они меньше греются. Они заменимы любыми анало­гичными диодами Шоттки, например, зарубежны­ми: 18ТQ045 (18А, 45В), 20ТQ40 (20А, 40В), сбор­ками Шотки: 20СТQ045 (20А, 45В), 25СТQ045 (25А, 45В) и т.д. Диоды КД522 с любой буквой. Замени­мы практически любыми кремниевыми на ток 50 мА и более, на напряжение 50 В и больше. Это могут быть и диоды старых типов Д220, Д223, и более новые КД518 и т.п.

Транзисторы

В позициях VТ1, VТ4 использовались: КТ315Г, КТ312В, КТ503Е, КТ815Б, КТ3102 (А-Г), ВС547С. В позициях VТ2, VТЗ, VТ5 применялись КТ361, КТ3107 (А, Б, И), КТ502Е, ВС557С. В позициях VТ6, VТ7- КТ827А или Б. В менее мощных схемах ИП применяли и КТ829. При двух параллельно вклю­ченных КТ829 ток в нагрузке не превышал 5 А. Пластмассовые корпуса таких транзисторов, очень удобны простотой крепежа на радиаторе.

Для четырех совместно работающих КТ829 ток нагрузки составляет до 10 А. Схема подклю­чения двух дополнительных транзисторов, к двум имеющимся силовым транзисторам иден­тична представленной на рисунке. То есть, для каж­дого нового дополнительного транзистора требуется и два новых резистора: один в цепи базы, а второй в цепи эмиттера. Эти уравнива­ющие резисторы — это обязательный атрибут данной конфигурации схемы. Необходимо рав­номерно распределить токи между всеми парал­лельно включенными транзисторами.

Если это не сделано, то транзистор с наиболь­шим значением h_21Э всю нагрузку примет на себя. Иначе говоря, транзистор с наибольшим значени­ем h_21Э и наименьшим U_КЭНАС быстро перегреется, если ИП испытывают при полной мощности, кото­рая должна распределяться поровну на все транзи­сторы. И поскольку рассеиваемая мощность может превысить 60 Вт для пластмассового КТ829, то он вскоре пробивается (как правило, происходит про­бой К-Э). Тоже самое происходит и с КТ827, толь­ко они более надежные и выносливые, чем КТ829. И долго могут работать, когда на одном транзисто­ре мощность намного больше, чем на другом. Вы­равнивать эмиттерные токи быстрее и легче подбо­ром базовых резисторов в цепи КТ827. Номиналы при этом могут отличаться весьма существенно (в разы и даже на порядок). Надо проследить, чтобы на максимальном токе через нагрузку имело мес­то наиболее правильное (равномерное) распреде­ление токов через транзисторы. И не столь важно, что там будет «твориться» асимметрия в базовых цепях КТ827. Главное, что падения напряжений на эмиттерных резисторах равными будут хотя бы в диапазоне токов 50-100%. То есть, при таких токах, где перекосы в режимах работы транзисторов при­водят к их отказам.

Конструкция ИП

Конструктивно рассматриваемые ИП выполня­лись по-разному. Элементы схемы СН размещали как на печатных платах, так и методом навесного монтажа, он подходит больше всего тогда, когда не предполагается экспериментировать с ИП.

Проблема с корпусами решалась также по-разному. Самодельный корпус — это масса механиче­ской работы. Поэтому старались корпус подобрать от чего-нибудь заводского.

С датчиком тока для амперметра прекрасно справляется резистор R5. В качестве индикатора подходит любой вольтметр. Стрелочные приборы, несмотря на цифровую моду, имеют серьезное преимущество при динамическом характере по­требляемого от ИП тока нагрузкой.

Автор: Алексей Зызюк, г. Луцк