Мощный линейный источник питания

При ремонте, испытаниях и настройке электротехнических устройств, потребляющих от источника питания относительно большой ток, необходим соответствующий регулируемый источник питания, способный продолжительное время отдавать в нагрузку требуемую мощность.

Когда по каким-то причинам нежелательно или невозмож­но использовать источник питания с импульсным стабилиза­тором напряжения, то можно применить мощный источник питания с линейным компенсационным стабилизатором на­пряжения.

На рис.1 показана принципиальная схема компактного мощного источника питания, способного отдавать ток в на­грузку до 6 А. На рис.1 цепи, по которым протекает боль­шой ток, выделены жирными линиями. Выходное регулируе­мое стабилизированное однополярное напряжение +5…+24 В и нестабилизированное напряжение 23 В или 29 В при том же максимальном постоянном токе нагрузки. Работает уст­ройство следующим образом. Напряжение сети переменно­го тока 220 В/50 Гц поступает на первичную обмотку пони­жающего трансформатора Т1 через плавкий предохранитель FU1, замкнутые контакты выключателя питания SA1 и дву­хобмоточный дроссель L1. Варистор RU1 защищает устрой­ство от повышенного напряжения сети. При кратковремен­ных всплесках напряжения, например, во время грозы, из­быток энергии варистор может поглотить без собственного разрушения. При относительно длительном повышенном на­пряжении сети, например обрыв нулевого провода в трёх­фазной сети 380 В, варистор пробивается, плавкий предо­хранитель FU1 перегорает.

Рис. 1

Мостовой выпрямитель напряжения переменного тока ре­ализован на мощных выпрямительных диодах VD2-VD5. На­пряжение переменного тока на него поступает с вторичных обмоток понижающего трансформатора. От перегрузки источ­ник питания защищён полимерными самовосстанавливающимися предохранителями FU2, FU3. Источник питания может работать в двух режимах максимального тока нагрузки: 3 А и 6 А. Режим работы переключается с помощью слаботочной кнопки SA2 и электромагнитного реле К1, мощные контакты которого коммутируют предохранитель FU3. При наличии двух самовосстанавливающихся предохранителей на разный ток — 3 А и 5…6 А — целесообразно не подключать второй самовосстанавливающийся предохранитель параллельно первому, а переключать их. Свечение светодиода HL1 обозначает, что источник питания работает в режиме максимального тока нагрузки «6 А». Пульсации выпрямленного напряжения сгла­живают оксидные конденсаторы С11-С13, С17. Выходное на­пряжение мостового выпрямителя +23 В или +29 В.

На резисторе R12, неполярном оксидном конденсаторе С10 и диодах VD6, VD7 собран второй выпрямитель напряжения постоянного тока с удвоением, выходное напряжение которо­го суммируется с выходным напряжением мостового выпря­мителя VD2-VD5. Выходное напряжение второго диодного выпрямителя +40 В или +52 В относительно общего провода.

Стабилизатор выходного напряжения собран на регули­руемом стабилитроне DA1 (типа TL431), транзисторном генераторе стабильного тока VT1 и VT2 и эмиттерном по­вторителе VT3-VT6 и вспомогательных элементах для этих узлов. Генератор стабильного тока на биполярных транзи­сторах VT1 и VT2 позволяет «удержать» рассеиваемую регулируемым стабилитроном DA1 мощность на допустимом уровне при широком изменении напряжения стабилизации DA1 и изменении в широком диапазоне напряжения на об­кладках конденсатора С16. Рабочий ток DA1 составляет око­ло 2 мА и почти не зависит от напряжений на выходах вы­прямителей и установленном рабочем напряжении DA1. Кон­денсатор С2 и резистор R4 предотвращают самовозбужде­ние DA1.

Выходное стабилизированное напряжение на конденса­торах С4, С9 и, соответственно, разъеме XS1 зависит от со­отношения суммарного сопротивления резисторов R7-R9 к сопротивлению резистора R6. Чем больше суммарное сопротивление R7-R9, тем выше выходное стабилизированное напряжение источника питания.

Для повышения надёжности стабилизатора напряжения мощные кремниевые биполярные транзисторы VT5, VT6 вклю­чены параллельно через токовыравнивающие резисторы R16, R17 и R13, R14. Светящийся светодиод HL3 означает, что источник питания включен в сеть 220 В/50 Гц. Светодиод HL2 светится при наличии напряжения на выходе стабилизатора. Для контроля уровня выходного стабилизированного напря­жения используется стрелочный вольтметр PV1.

Для уменьшения рассеивания транзисторами VT5, VT6 мощ­ности и повышения КПД линейного стабилизатора использу­ется автоматическое переключение обмоток понижающего трансформатора Т1. Когда выходное напряжение стабилиза­тора не превышает 13 В, стабилитрон VD8 и транзисторы VT7, VT8 закрыты, выпрямитель VD2-VD5 через замкнутые контак­ты реле К2.1 подключен к выводам 4 и 6′ вторичной обмот­ки Т1. Когда напряжение на выходе стабилизатора устанав­ливают более 13,2… 13,5 В, стабилитрон VD8 и транзисторы VT7, VT8 открываются, контакты реле К2.1 переключаются, в результате чего с выводов вторичной обмотки 4 и 4′ на вы­прямители будет поступать повышенное напряжение перемен­ного тока, о чём будет сигнализировать светящийся светоди­од HL4. Транзисторы VT7, VT8 работают в триггерном режи­ме, положительную обратную связь по постоянному току обес­печивает резистор R30, гистерезис триггера — около 0,3 В.

Источник питания имеет стрелочный индикатор потреб­ляемого нагрузкой тока, выполненный на микроамперметре РА1, проволочном резисторе — датчике тока R24 и токоог­раничительных резисторах R23, R25. Резистор R25 подклю­чается параллельно катушке микроамперметра в режиме ра­боты источника питания «6 А». Диод VD11 защищает микро­амперметр при всплесках потребляемого нагрузкой тока.

Для охлаждения элементов конструкции осуществляется принудительная вентиляция корпуса с помощью «компью­терного» вентилятора М1, установленного на задней стенке корпуса, работающего на выброс тёплого воздуха из корпу­са ИП. Поскольку конструкция изначально предназначена для питания мощных нагрузок, принудительное воздушное охлаж­дение встроенным в корпус вентилятором осуществляется не­прерывно. Электровентилятор и узлы управления электро­магнитными реле питаются от относительно маломощного па­раметрического стабилизатора напряжения постоянного то­ка +11,2 В, выполненного на элементах R26, R32, VD9, VD10 и мощном составном транзисторе VT9. Резистор R26 умень­шает рассеиваемую VT9 мощность, повышая надёжность это­го стабилизатора.

Конструкция и детали

Узлы регулятора стабилизированного напряжения, пере­ключателя обмоток Т1 и выпрямитель напряжения на R12, С10, VD6, VD7, С14, R29, С16 смонтированы на небольшой монтажной плате (рис.2). Мощные диоды мостового выпря­мителя и шунтирующие их плёночные конденсаторы С5-С8 смонтированы на дюралюминиевых теплоотводах (рис.3). Ком­поновка узлов в корпусе источника питания показана на рис.4.

Рис. 2

Постоянные резисторы можно применить типов С1-4, С2-23. С2-33, МЛТ, РПМ соответствующей мощности. Переменные резисторы R8, R9 любые однооборотные непроволочные хо­рошего качества с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота токосъёмного контакта, например, СП3-33-32, СП3-12, СП3-30, или аналогичные импортные. При выборе переменных резисторов учитывайте, что при плохом контак­те токосъёмника с резистивным слоем произойдёт почти мо­ментальный рост выходного напряжения до максимально воз­можного, например, около 28 В. Резисторы R16, R17, R24 — самодельные проволочные. Они представляют собой около 25 см монтажного провода без изоляции с сечением по ме­ди около 0,5 мм², намотанных на керамических или стек­лянных трубках. Витки проволоки скреплены силикатным клеем. Дисковый варистор MYG20-431 можно заменить MYG20-471, FNR-20K431, FNR-20K471, GNR20D431K.

Рис. 3

Оксидные конденсаторы типов К50-24, К50-29, К50-35, К50-68 или импортные аналоги. Неполярный оксидный кон­денсатор С10 импортный. Его можно заменить сборкой из двух обычных полярных конденсаторов емкостью по 470 мкФ 50 В, включенных встречно-последовательно, и двух шунти­рующих эти конденсаторы диодов MUR120. Конденсаторы С5-С8 могут быть плёночными или керамическими на рабо­чее напряжение от 50 В и ёмкостью от 0,01 мкФ, например, К73-15А, К73-9.

Рис. 4

Диод 1N4148 можно заменить 1N914, 1SS176S, любым из серий КД503, КД510, КД521. Вместо диодов MUR120 мож­но установить любые из серий 1N4001-1N4007, UF4001-UF4007, КДЮ5, КД209, КД243, КД247. Мощные ди­оды КД206Б можно заменить четырьмя диодами из серий КД206, КД213, 2Д213 или Д243А, Д244А, или одним импорт­ным мощным выпрямительным мостом из серий КВРС1001-КВРС1010, МВ151-МВ158, BR151-BR158. Мощ­ные диоды или применённый вместо них готовый диодный мост устанавливают на дюралюминиевый теплоотвод, при необхо­димости, используют изолирующие прокладки. Стабилитрон 1N4740A можно заменить BZV55C-10, BZV55C-11, TZMC-10, TZMC-11, КС211Ж, Д814Г1. Вместо стабилитрона 1N4742A можно установить TZMC-12, Д814Д, Д814Д1, КС512А, 2С512А. Регулируемый стабилитрон TL431 можно заменить AZ431, LM431, выполненным в трёхвыводном корпусе ТО-92. Све­тодиоды любого типа общего применения непрерывного свечения без встроенных резисторов, например, из серий L-1503, КИП Д-40, КИПД-66.

Транзисторы КТ814Г можно заменить КТ816Г, КТ639Д, КТ644Б, 2SA1013, 2SA931. Вместо транзистора 2SC945 мож­но применить любой из серий SS9014, SS9013, 2SC2710, КТ312, КТ315, КТ645, КТ3102. Транзистор 2SB698 заменяем 2SA928, любыми из КТ814, КТ816, КТ639, КТ644, КТ6115, 2SA1013, 2SA931. Вместо транзистора 2SC2331 можно ус­тановить 2SC2383, КТ683Д, КТ683Е, КТ646В, КТ817Г2. Тран­зистор 2SC3746 можно заменить КТ805ДМ, КТ817Г2, КТ683Е; этот транзистор устанавливается на небольшой дюралюмини­евый теплоотвод (рис.2). Транзисторы 2Т808А можно заме­нить КТ808АМ-КТ808ГМ, 2Т819А-2Т819В, 2N3055A, MJ15015, 2SC4131, 2SC1610. Транзисторы VT5, VT6 должны иметь оди­наковый или близкий коэффициент передачи тока базы. По­дойдут экземпляры, имеющие h₂-|₃ не менее 40 при токе кол­лектора 1 А, при напряжении коллектор-эмиттер 5 В и тем­пературе корпуса 35…50°С. Эти транзисторы устанавливают на общий большой дюралюминиевый теплоотвод, размеры которого зависят от конструктивных особенностей корпуса ус­тройства, эффективности принудительного и естественного воздушного охлаждения и максимальной мощности, рассеи­ваемой транзисторами VT5, VT6. Желательно, чтобы систе­ма охлаждения ИП удерживала температуру корпуса транс­форматора и дюралюминиевых теплоотводов для VT4-VT6, VD2-VD5 не более 55…60°С при максимальном токе на­грузки 6 А и минимальном установленном выходном напря­жении мощного стабилизатора. При использовании на месте VT5, VT6 транзисторов в металлическом корпусе или в ме­таллопластмассовом с неизолированным теплоотводящим фланцем желательно изолировать радиатор от металлическо­го корпуса конструкции, а не транзисторы от радиатора. Мощ­ный составной транзистор 2SC3987 имеет изолированный корпус, закреплён на нижней железной крышке металличес­кого корпуса источника питания. Его можно заменить любым составным из серий КТ829, КТ8131. Для установки этих тран­зисторов на металлический корпус ИП применяют изолиру­ющие прокладки. Мощные транзисторы и диоды устанавли­вают на теплоотводах с применением теплопроводной пасты КПТ-8. Вместо трехступенчатого составного транзистора VT3-VT6 можно применить два одинаковых мощных полевых транзистора, включенных параллельно, например, IRFP130. Затвор-исток полевых транзисторов должен быть защищён стабилитроном, например, TZMC-12. При заменах транзисто­ров следует учитывать различия в цоколёвках выводов и ти­пах корпусов.

Электромагнитное реле К1 любое малогабаритное с об­моткой на 12 В со свободно разомкнутыми двумя группами контактов, рассчитанными на ток не менее 8 А, например, типов 894-2AH1-F-C, RP920123. На месте электромагнитно­го реле К2 можно применить малогабаритные реле с одной группой переключаемых контактов, например, RAS-1215, 899В-1CH-F-C. Такие и подобные реле обычно применяются в ав­томобильных сигнализациях, источниках бесперебойного пи­тания, импортных кинескопных компьютерных мониторах. Кон­такты применённых экземпляров реле должны уверенно пе­реключаться при напряжении на выводах обмотки 10 В по­стоянного тока. Для конструкции желательно применить ти­пы электромагнитных реле, обмотка которых имеет сопротивление более 270 Ом. Держатель плавкого предо­хранителя ДВП7, ДВП4 или аналогичный. Полимерные самовосстанавливающиеся предохранители на номинальный ра­бочий ток 3 А типа MF-R300, LP60-300; на ток 6 А подойдёт LP30-600. Понижающий трансформатор типа ТС150-1. Такой трансформатор способен обеспечить ток нагрузки 6 А при выходном напряжении стабилизатора до 20 В при сетевом напряжении 220 В. При замене биполярных транзисторов VT3-VT6 полевыми — до 22 В. Подойдёт любой силовой транс­форматор с габаритной мощностью 150…200 Вт, вторичные обмотки которого рассчитаны на требуемые напряжения и ток. Вольтметр PV1 типа М2001/1 со встроенным токоограничительным резистором (вместо R15) и готовой заводской шкалой на 30 В. Микроамперметр РА1 типа М2001 с готовой заводской шкалой на 3 А. Двухобмоточный дроссель L1 ти­па B82724-J2222-N2 фирмы Siemens можно заменить любым подобным с обмотками индуктивностью от 100 мкГн, рас­считанными на ток нагрузки от 1 А, например, от фильтра питания старого кинескопного телевизора.

Источник питания собран в компактном корпусе разме­рами 225x177x80 мм. Корпус был изготовлен из металличе­ской крышки VHS видеоплеера Funai, распиленной «болгар­кой» пополам. Передняя и задняя стенки корпуса изготовле­ны из пластмассы. В нижней крышке под трансформатором и теплоотводами для выпрямительного моста и транзисто­ров VT5, VT6 просверлены дополнительные вентиляционные отверстия диаметром 4 мм. Нижняя крышка усилена метал­лическими рёбрами жёсткости, к ней же прикручены рези­новые ножки высотой 10 мм. Сильноточные цепи должны быть выполнены монтажным проводом с сечением не ме­нее 1,3 мм². Компактный корпус при сборке этой конструк­ции вызвал большие трудности по компоновке узлов. Необ­ходимо было не только где-то разместить крупногабаритные детали, но и обеспечить хорошую циркуляцию воздуха внут­ри корпуса. На рис.4 видно, что большую часть объёма за­нимают понижающий трансформатор, радиаторы для выпря­мительного моста и мощных транзисторов и вольтметр с ам­перметром. Конденсаторы фильтра выпрямленного напряжения размещены между вольтметром и трансформатором на боковой стенке корпуса и под вольтметром.

На рис.4 реле К2 видно чуть правее вольтметра на бо­ковой крышке. Реле К1 видно на задней крышке рядом с вен­тилятором. Дроссель L1 и варистор видны вверху справа от трансформатора. Конденсатор С9 находится под ампермет­ром. Транзистор VT9 закреплён на нижней крышке между амперметром и большим ребристым теплоотводом. Монтаж­ная плата с рис.2 установлена вертикально параллельно теп­лоотводу мостового диодного выпрямителя. Самовосстанавливающиеся предохранители закреплены на каркасе транс­форматора. Если вы в своей конструкции увеличите разме­ры корпуса хотя бы на 50%, то это значительно облегчит ваш труд. Перед тем, как подбирать или изготавливать корпус кон­струкции, выберите понижающий трансформатор и от его га­баритов и формы планируйте размеры корпуса ИП. При экс­плуатации устройства учитывайте, что при повышенной тем­пературе внутри корпуса самовосстанавливающиеся предо­хранители будут более «чутко» реагировать на перегрузку по току в цепи нагрузки — это положительный эффект, позволя­ющий уменьшить вероятность повреждения элементов ИП от повышенной температуры. Не устанавливайте самовосста­навливающиеся предохранители на пути воздушного потока от вентилятора.

Если вы ранее изготовили конструкцию [1], то её можно дополнить узлом стабилизации напряжения, рассмотренным выше в этой статье, при необходимости, внеся в схему кор­ректировки под требуемые параметры гибридного источника питания. Конструкцию можно дополнить аварийным сигна­лизатором, собранным по схеме [2], что повысит удобство её эксплуатации.

Литература

1. Бутов А.Л. Мощный источник питания АБК-11 -18-5 // Электрик. — 2011. — №10. — С.50-52.
2. Бутов А.Л. Сигнализатор аварийных режимов работы источника питания // Электрик. — 2011. — №3. — С.58-60.

Автор: А.Л. Бутов, с. Курба, Ярославской обл.