Радиосхема

    

Предрегулятор для лабораторного источника питания .

 

Автор: Nemod

 

Построение лабораторного источника питания вопрос скорее философский, чем технический. На сегодняшний день существует масса решений, позволяющих спроектировать надёжный и удобный источник питания для проведения экспериментальных работ в области радиотехники. Наиболее прогрессивным считается применение импульсного блока питания. Он сочетает в себе кучу преимуществ, таких как высокий КПД, малые масса-габаритные параметры и пр. Однако не лишён недостатков. К ним можно отнести: высокочастотные пульсации, помехи от которых трудно избавиться. Чем проще схемотехника, тем сильнее проявляются вышеуказанные недостатки. Впрочем, преимущества с лихвой покрывают недостатки. Тем не менее, превалирует мнение, что лабораторный источник питания обязательно должен быть построен по схеме линейного компенсационного стабилизатора, ибо только он при сравнительно малых затратах позволяет построить надёжное устройство с «чистым» выходным напряжением. Он менее капризен к монтажу, пульсации и шумы легко фильтруются. Схемотехника отработана десятилетиями. Однако и ему присуща масса недостатков. В первую очередь: низкий КПД. Источник питания с линейным стабилизатором напоминает грелку. Чем выше допустимый ток источника питания, тем больше энергии необходимо рассеять впустую. Было предложено множество решений данной проблемы. Наиболее приемлемы две из них. Первое решение: ступенчатое переключение входного напряжения в зависимости от выходного, так чтобы на регулирующем элементе схемы падало как можно меньше напряжения. Это решение серьёзно усложняет конструкцию, ибо требует применения трансформатора с множеством отводов от вторичной обмотки, плюс силовые переключатели для коммутации обмоток, либо механические (реле, галетные переключатели), либо электронные (тиристоры, транзисторы, твердотельные реле). Второе решение: применение так называемого предрегулятора. Его назначение аналогично первому варианту, поддерживать как можно меньшее падение напряжения на регулирующем элементе компенсационного стабилизатора, но достаточное для его нормальной работы. Предрегуляторы строились по различному принципу, начиная от шунтов переменного тока в цепи первичной обмотки силового трансформатора, тиристорных регуляторов и заканчивая импульсным стабилизатором. Так называемый гибридный источник питания, в котором после выпрямителя напряжение поступает сначала на «черновой» импульсный регулятор напряжения, обладающий высоким КПД, а уж потом на «чистовой» компенсационный стабилизатор доказал свою жизнестойкость. По данному принципу проектируют в том числе и промышленные источники питания для лабораторных целей. Именно о такой схемотехнике пойдёт речь в нашей статье.

 

Увеличить

 

Устройство, схема которого показана на рисунке, универсальное. Его можно встроить в большинство лабораторных источников питания, чьё входное напряжение не превышает 36 Вольт, а допустимый ток 5А. Регулируемый линейный стабилизатор произвольной схемотехники условно обозначен как VR1. В данной конструкции напряжение, падающее на регулирующем элементе стабилизатора, составляет 5В и задаётся резистивным делителем R7-R8. Оно может быть изменено в больших пределах подбором вышеуказанных резисторов. Падение напряжения, поддерживаемое на вашем линейном стабилизаторе посредством представленной схемы, должно быть чуть выше минимально допустимого падения напряжения для выбранного вами линейного источника питания. В противном случае, динамические характеристики стабилизатора ухудшатся. Выходное напряжение будет «проседать».

Итак, в момент включения конденсатор С4 разряжен, на стабилизаторе VR1 падение напряжения менее 5 В. Светодиод оптрона U1 потушен, компаратор DA2 находится в активном режиме, его выходной транзистор открыт, и цепь,  состоящая из резисторов R3-R4 через открытый транзистор компаратора подключена к земляной шине. Следовательно, p-канальный мощный полевой транзистор VT1 насыщен, и входное напряжение через открытый переход сток-исток начинает заряжать конденсатор С4. Диод VD2 переключательный, защищает транзистор VT1 от протекания обратного напряжения, возникающего когда транзистор VT1 закрыт, а конденсатор С4 заряжен под завязку. Стабилитрон VD1 защищает транзистор VT1 от пробоя. Как только напряжение падения на стабилизаторе VR1 достигнет 5 В, светодиод оптрона U1 откроется настолько сильно, что через фототранзистор на неинвертирующий вход компаратора начнёт протекать ток превышающий потенциал на инвертирующем входе компаратора DA2. Компаратор закроет транзистор VT1. Заряд конденсатора С4 прекратится. Через некоторое время вследствие расходования энергии, запасённой конденсатором С4, напряжение падения на линейном стабилизаторе уменьшится и станет ниже 5В. Тогда транзистор VT1 вновь откроется и вновь начнёт заряжать конденсатор С4. Процесс будет продолжаться циклически. А поскольку сопротивление открытого канала транзистора VT1 ничтожно мало (около 20 мОм), на нём будет рассеиваться приблизительно 0,5 Ватта при токе нагрузки 5 А. КПД предрегулятора достаточно велик. И данное устройство может значительно облегчить жизнь регулируемому линейному стабилизатору при любом выходном напряжении. Для сравнения можно привести пример с использованием биполярного транзистора структуры p-n-p в качестве VT1. Если применить биполярные транзисторы, включённые по схеме Дарлингтона, то рассеиваемая ими мощность при токе нагрузки 5 А составит порядка 7…10 Ватт. Что не мало, согласитесь. Биполярные транзисторы или транзистор (скажем TIP147 или КТ825) придётся установить на приличный теплоотвод.

Топология печатной платы не приводится, поскольку предрегулятор не является самостоятельным устройством. Печатная плата будет во многом зависеть от конструкции источника питания. А так как устройство импульсное, пусть и не высокочастотное, то требует грамотной разводки проводников печатной платы.

Детали применены не дефицитные. Диод VD2 – любой Шоттки с допустимым током и обратным напряжением в два раза выше параметров вашего источника питания. Резисторы 0,25 Вт. Конденсаторы К73-17, оксидные – любые, допустимое напряжение 50 В. Компаратор заменим на К554СА3, К521СА3, но у них иной корпус и другая разводка выводов. Стабилитрон VD1 на напряжение 12…18 В.

Если входное напряжение источника питания не превышает 28 В, то запитать компаратор можно непосредственно от входного напряжения, исключив элементы R1-R2, C1, DA1, однако опорное напряжение, формируемое делителем R7-R8 желательно стабилизировать, иначе падение напряжения на регулирующем элементе линейного стабилизатора будет изменяться в такт изменению напряжения питающей сети.

Конденсаторы С2-С3 следует разместить как можно ближе к выводам питания компаратора DA2.

Предрегулятор не оснащён защитой от короткого замыкания в цепи нагрузки, потому вся надежда на токовую защиту линейного стабилизатора и предохранители.

Следует иметь в виду, что максимально допустимое напряжение транзистора выходного каскада компаратора LM311 составляет 40 В, у некоторых производителей заявлено 45 В. А у компараторов с расширенным рабочим диапазоном (промышленный и военный вариант) LM111, LM211 транзистор «терпит» до 50 В. Однако с целью повышения надёжности устройства в целом можно применить оптронную развязку между компаратором и транзистором VT1, как показано на рисунке.

В данном случае важно подобрать оптрон с необходимыми Вам параметрами. Скажем, фототранзистор оптрона АОТ110Б имеет максимально допустимый ток коллектора 100 mA, а напряжение – 50 В. Вполне достаточно для большинства конструкций. Можно поискать импортный аналог. Допустим, оптрон CNY17-3 фирмы TOSHIBA  имеет максимально допустимый ток коллектора 60 mA, а напряжение – 70 В. Временные характеристики обоих оптронов устраивают. Важно уложиться в допустимые рамки по току (ток, протекающий в цепи резисторов R3-R4). Ток не должен быть меньше минимально допустимого для стабилитрона VD1, но не должен быть больше номинального тока фототранзистора, включённого между компаратором и полевым транзистором VT1. И, конечно, при соблюдении всех вышеперечисленных условий, полевой транзистор VT1 обязан входить в режим насыщения после срабатывания компаратора DA2. Подбирая сопротивление резисторов R3-R4, необходимо найти «золотую середину».