Прибор, наличие которого крайне желательно в любой домашней мастерской радиолюбителя, — это, конечно же, лабораторный блок питания. Название “лабораторный” подразумевает возможность регулирования его выходного напряжения в достаточно широких пределах, способность поддерживать установленное значение напряжения с достаточной для налаживаемой с его помощью аппаратуры точностью, наличие электронной защиты, способной при перегрузках или в аварийной ситуации предотвратить выход из строя как питаемого устройства, так и самого источника и т. д. Задача по изготовлению лабораторного блока упрощается, если в качестве основы использовать исправный источник питания какого-либо имеющегося бытового аппарата, уже отслужившего свой срок или морально устаревшего. В публикуемой ниже статье автор делится опытом изготовления лабораторного блока питания на основе стабилизатора напряжения матричного принтера.
В последние десятилетия электронная техника развивается настолько быстро, что аппаратура устаревает гораздо раньше, чем выходит из строя. Как правило, устаревшая аппаратура списывается и, попадая в руки радиолюбителей, становится источником радиодеталей. Часть узлов этой аппаратуры вполне возможно использовать.
Рис. 1
В один из визитов на радиорынок удалось практически за бесценок купить несколько печатных плат от списанной аппаратуры (рис. 1). В комплекте к одной из плат шел и трансформатор питания. После поисков в Интернете удалось установить (предположительно), что все платы — от матричных принтеров EPSON. Кроме множества полезных деталей, на плате смонтирован неплохой двухканальный источник питания. И если плату не предполагается использовать для других целей, на основе его можно построить регулируемый лабораторный блок питания. Как это сделать, рассказано ниже.
Источник питания содержит каналы +24 В и +5 В. Первый построен по схеме понижающего широтно-импульсного стабилизатора и рассчитан на ток нагрузки около 1,5 А. При превышении этого значения срабатывает защита и напряжение на выходе стабилизатора резко падает (ток короткого замыкания — примерно 0,35 А). Примерная нагрузочная характеристика канала показана на рис. 2 (кривая чёрного цвета). Канал +5 В также построен по схеме импульсного стабилизатора но, в отличие от канала +24 В, по так называемой релейной схеме. Питается этот стабилизатор с выхода канала +24 В (рассчитан на работу от источника напряжения не ниже 15 В) и токовой защиты не имеет, поэтому при коротком замыкании выхода (а такое в практике радиолюбителя не редкость) может выйти из строя. И хотя ток стабилизатора ограничен в канале +24 В, при коротком замыкании ключевой транзистор примерно за секунду нагревается до критической температуры.
Рис. 2
Схема стабилизатора напряжения +24 В показана на рис. 3 (буквенные позиционные обозначения и нумерация элементов соответствуют нанесённым на печатной плате). Рассмотрим работу некоторых его узлов, имеющих особенности или отношение к переделке. На транзисторах Q1 и Q2 построен силовой ключ. Резистор R1 служит для уменьшения рассеиваемой мощности на транзисторе Q1. На транзисторе Q4 построен параметрический стабилизатор напряжения питания задающего генератора, выполненного на микросхеме, обозначенной на плате как ЗА (далее будем рассматривать ее как DA1). Эта микросхема — полный аналог знаменитой по компьютерным блокам питания TL494 [1]. О ее работе в различных режимах написано довольно много, поэтому рассмотрим лишь некоторые цепи.
Рис. 3
Стабилизация выходного напряжения осуществляется следующим образом: на один из входов встроенного компаратора 1 (вывод 2 DА1) через резистор R6 подаётся образцовое напряжение с внутреннего источника микросхемы (вывод 14). На другой вход (вывод 1) через резистивный делитель R16R12 поступает выходное напряжение стабилизатора, причём нижнее плечо делителя подключено к источнику образцового напряжения компаратора токовой защиты (вывод 15 DA1). Пока напряжение на выводе 1 DA1 меньше, чем на выводе 2, ключ на транзисторах Q1 и Q2 открыт. Как только напряжение на выводе 1 становится больше, чем на выводе 2, ключ закрывается. Разумеется, процесс управления ключом определяется работой задающего генератора микросхемы.
Токовая защита работает аналогично, за исключением того, что на ток нагрузки влияет выходное напряжение. Датчиком тока является резистор R2. Рассмотрим токовую защиту подробнее. Образцовое напряжение подаётся на инвертирующий вход компаратора 2 (вывод 15 DA1). В его формировании участвуют резисторы R7, R11, а также R16, R12. Пока ток нагрузки не превышает максимального значения, напряжение на выводе 15 DA1 определяется делителем R11R12R16. Резистор R7 имеет довольно большое сопротивление и на образцовое напряжение почти не влияет. При перегрузке выходное напряжение резко падает. При этом уменьшается и образцовое напряжение, что вызывает дальнейшее снижение тока. Выходное напряжение снижается почти до нуля, и поскольку теперь последовательно соединённые резисторы R16, R12 через сопротивление нагрузки подключаются параллельно R11, образцовое напряжение, а следовательно, и выходной ток также резко уменьшаются. Так формируется нагрузочная характеристика стабилизатора +24 В.
Выходное напряжение на вторичной (II) обмотке понижающего трансформатора питания Т1 должно быть не ниже 29 В при токе до 1,4 А.
Стабилизатор напряжения +5 В выполнен на транзисторе Q6 и интегральном стабилизаторе 78L05, обозначенном на плате как SR1. Описание аналогичного стабилизатора и его работы можно найти в [2]. Резисторы R31, R37 и конденсатор С26 образуют цепь ПОС для формирования крутых фронтов импульсов.
Для использования источника питания в лабораторном блоке нужно выпилить из печатной платы участок, на котором размещены детали стабилизаторов (на рис.1 отделён светлыми линиями). Чтобы можно было регулировать выходное напряжение стабилизатора +24 В, его следует немного доработать. Для начала следует отсоединить вход стабилизатора +5 В, для чего необходимо выпаять резистор R18 и перерезать печатный проводник, идущий к выводу эмиттера транзистора Q6. Если источник +5 В не нужен, его детали можно удалить. Далее следует выпаять резистор R16 и подключить вместо него переменный резистор R16’ (как и другие новые элементы, он изображён на схеме утолщёнными линиями) номинальным сопротивлением 68 кОм. Затем надо выпаять резистор R12 и припаять его с обратной стороны платы между выводом 1 DA1 и минусовым выводом конденсатора С1. Теперь выходное напряжение блока можно изменять от 5 до 25 В.
Понизить нижний предел регулирования примерно до 2В можно, если изменить пороговое напряжение на выводе 2 DA1. Для этого следует выпаять резистор R6, а напряжение на вывод 2 DA1 (около 2 В) подать с подстроечного резистора R6’ сопротивлением 100 кОм, как показано на схеме слева (напротив прежнего R6). Этот резистор можно припаять со стороны деталей прямо к соответствующим выводам микросхемы. Есть и другой вариант — вместо резистора R6 впаять R6″ номиналом 100 кОм, а между выводом 2 микросхемы DA1 и общим проводом припаять ещё один резистор — R6″’ номиналом 36 кОм.
После этих переделок следует изменить ток защиты стабилизатора. Выпаяв резистор R11, впаять на его место переменный R11’ номинальным сопротивлением 3 кОм с включённым в цепь движка резистором R11″. Валик резистора R11’ можно вывести на лицевую панель для оперативной регулировки тока защиты (примерно от 30 мА до максимального значения, равного 1,5 А). При таком включении изменится и нагрузочная характеристика стабилизатора: теперь при превышении тока нагрузки стабилизатор перейдёт в режим его ограничения (синяя линия на рис. 2). Если длина провода, соединяющего резистор R11′ с платой, превышает 100 мм, желательно параллельно ему на плате припаять конденсатор емкостью 0,01 мкФ. Также желательно снабдить транзистор Q1 небольшим теплоотводом. Вид на доработанную плату с регулировочными резисторами показан на рис. 4.
Рис. 4
Такой блок питания можно эксплуатировать с нагрузкой, некритичной к пульсациям напряжения, которые при максимальном токе нагрузки могут превышать 100 мВ.
Существенно понизить уровень пульсаций можно, добавив несложный компенсационный стабилизатор, схема которого представлена на рис. 5. В основе стабилизатора — широко распространенная микросхема TL431 (её отечественный аналог — КР142ЕН19). На транзисторах VT2 и VT3 построен регулирующий элемент. Резистор R4 здесь выполняет ту же функцию, что и R1 в импульсном стабилизаторе (см. рис. 3). На транзисторе VT1 собран узел обратной связи по падению напряжения припаять со стороны деталей прямо к соответствующим выводам микросхемы. Есть и другой вариант — вместо резистора R6 впаять R6″ номиналом 100 кОм, а между выводом 2 микросхемы DA1 и общим проводом припаять ещё один резистор — R6″’ номиналом 36 кОм.
После этих переделок следует изменить ток защиты стабилизатора. Выпаяв резистор R11, впаять на его место переменный R11* номинальным сопротивлением 3 кОм с включённым в цепь движка резистором R11*. Валик резистора R11 можно вывести на лицевую панель для оперативной регулировки тока защиты (примерно от 30 мА до максимального значения, равного 1,5 А). При таком включении изменится и нагрузочная характеристика стабилизатора: теперь при превышении тока нагрузки стабилизатор перейдёт в режим его ограничения (синяя линия на рис. 2). Если длина провода, соединяющего резистор R11′ с платой, превышает 100 мм, желательно параллельно ему на плате припаять конденсатор емкостью 0,01 мкФ. Также желательно снабдить транзистор Q1 небольшим теплоотводом. Вид на доработанную плату с регулировочными резисторами показан на рис. 4.
Такой блок питания можно эксплуатировать с нагрузкой, некритичной к пульсациям напряжения, которые при максимальном токе нагрузки могут превышать 100 мВ.
Существенно понизить уровень пульсаций можно, добавив несложный компенсационный стабилизатор, схема которого представлена на рис. 5. В основе стабилизатора — широко распространенная микросхема TL431 (её отечественный аналог — КР142ЕН19). На транзисторах VT2 и VT3 построен регулирующий элемент. Резистор R4 здесь выполняет ту же функцию, что и R1 в импульсном стабилизаторе (см. рис. 3). На транзисторе VT1 собран узел обратной связи по падению напряжения на резисторе R2. Участок коллектор- эмиттер этого транзистора необходимо подключить вместо резистора R16 в схеме на рис. 3 (разумеется, переменный резистор R16’ в этом случае не нужен). Работает этот узел следующим образом. Как только напряжение на резисторе R2 превысит примерно 0,6 В, транзистор VT1 открывается, что вызывает переключение компаратора микросхемы DA1 в импульсном стабилизаторе и, следовательно, закрывание ключа на транзисторах Q1, Q2. Выходное напряжение импульсного стабилизатора уменьшается. Таким образом, напряжение на этом резисторе поддерживается на уровне около 0,65 В. При этом падение напряжения на регулирующем элементе VT2VT3 равно сумме падения напряжения на резисторе R2 и напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3, т. е. около 1,25… 1,5В в зависимости от тока нагрузки.
Рис.5
В таком виде блок питания способен отдавать в нагрузку ток до 1,5А при напряжении до 24В, при этом уровень пульсаций не превышает нескольких милливольт. Следует отметить, что при срабатывании защиты по току уровень пульсаций увеличивается, поскольку микросхема DA1 компенсационного стабилизатора закрывается и регулирующий элемент открыт полностью.
Печатная плата для этого стабилизатора не разрабатывалась. Транзистор VT3 должен иметь статический коэффициент передачи тока h21Э не менее 300, а VT2 — не менее 100. Последний необходимо установить на теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности не менее 10 см2.
Налаживание блока питания с таким дополнением заключается в подборе резисторов выходного делителя R5—R7. При самовозбуждении блока можно шунтировать эмиттерный переход транзистора VT 1 конденсатором ёмкостью 0,047 мкФ.
Несколько слов о стабилизаторе канала +5 В. Его можно использовать как дополнительный источник, если в трансформаторе Т1 есть дополнительная обмотка на 16…22 В. В этом случае понадобится ещё один выпрямитель с фильтрующим конденсатором. Поскольку этот стабилизатор не имеет защиты, нагрузку к нему необходимо подключать через дополнительное устройство защиты, например, описанное в [3], ограничив ток последнего до 0.5 А.
В статье описан простейший вариант переделки, но можно ещё улучшить характеристики источника, дополнив компенсационный стабилизатор собственной регулируемой защитой по току, например, на операционном усилителе, как это сделано в [4].
ЛИТЕРАТУРА
- Александров Р. Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. — Радио, 2002, № 6, с. 22, 23.
- Щербина А., Благий С., Иванов В.
- Применение микросхемных стабилизаторов серий 142, К142, КР142. — Радио, 1991, № 5, с. 68-70.
- Александров И. Электронный предохранитель. — Радио, 2000, № 2, с. 54.
- Высочанский П. Простой лабораторный блок питания 1…20В с регулируемой токовой защитой. — Радио, 2006, № 9, с. 37.
Автор: Е. ГЕРАСИМОВ, ст. Выселки Краснодарского края
Источник: Радио №7/2016