Лабораторный блок питания на транзисторах

Лабораторный блок питания (ЛБП), представленный в этой статье, имеет простую, но в то же время надежную и хорошо повторяемую схему. В качестве основных компонентов устройства используются биполярные транзисторы. ЛБП может служить для: тестирования силовых транзисторов, питания светодиодов (LED-панелей), зарядки различных типов аккумуляторов, питания электронных устройств напряжением 0–40В и током до 2,5А.

В качестве защиты от короткого замыкания лабораторного блока питания используется стабилизация выходного тока. Порог максимального тока можно установить с помощью подстроечного резистора в пределе 0,5–2,5А. Регулировка тока нагрузки в процессе эксплуатации выполняется от нуля до установленного порога с помощью переменного резистора.

Верхний предел выходного напряжения также может быть установлен с помощью подстроечного резистора в диапазоне 10–40В. Регулировка выходного напряжения в процессе эксплуатации осуществляется переменным резистором от нуля до установленного порога.

ЛБП на транзисторах

Схема лабораторного блока питания на транзисторах

Схема ЛБП надежная и имеет хорошую повторяемость, взята она из журнала Elektor Electronics №4 1999 года. Оригинал этой статьи можно скачать в формате PDF, ссылка под данной статьей.

Схема лабораторного блока питания на транзисторах

На схеме присутствует только блок самого стабилизатора. Отсутствие выпрямителя обусловлено неопределенностью номиналов компонентов исходя из конкретных параметров лабораторного блока питания.

Транзисторы T5 и T6 образуют дифференциальный усилитель, который сравнивает часть опорного напряжения с напряжением на выходе ЛБП. Опорное напряжение образует параметрический стабилизатор R7D2D3. Часть его отбирается переменным резистором P1. Выходное значение напряжения берется с делителя P4R5.

Когда Uвых ЛБП возрастает, то и на делителе P4R5 падение напряжения увеличивается. Когда значение на делителе станет больше чем установленное потенциометром P1, то транзистор T5 прикроется больше чем T6 и на резисторе R2 падение увеличится. Вследствие чего транзистор T4 откроется и подтянет базу T3 к общему проводу (Gnd). Транзисторы T3, T4 и силовой регулирующий транзистор T1 прикроются, уменьшив выходное напряжение лабораторного блока питания, до тех пор, пока значения на базах (T5 и T6) дифференциального усилителя не станут равными.

Транзистор T7 отвечает за стабилизацию тока. Его датчиком является резистор R4, через который протекает весть ток нагрузки. При возрастании тока на датчике R4, а, следовательно, и на цепи P3R6P2 падение напряжения также повысится. Это падение через токоограничивающий резистор R8 попадает на базу T7. При достижении определенного значения транзистор T7 открывается и подтягивает базу T3 через резистор R2 к общему проводу (Gnd) и на выходе эмиттерного повторителя напряжение начнет снижаться. Так работает стабилизация тока.

Максимальный (предельно возможный) ток ЛБП устанавливается подстроечным резистором P3. При P3=0, максимальный выходной ток составит 2,5А, а при P3=250кОм максимальное значение составит 500мА.

Регулировка тока нагрузки ЛБП выполняется вращением движка потенциометра P2.

Максимальное (предельное) напряжение на выходе ЛБП устанавливается подстроечным резистором P4. При P4=0 максимальное Uout=10В, а при P4=25кОм Uout=40В.

Регулировка выходного напряжения осуществляется потенциометром P1.

Компоненты схемы

В качестве подстроечных резисторов P3 и P4 лучше применить многооборотные компоненты типа «3296W». Причем, номиналы 250кОм и 25кОм я не нашел и вместо них поставил 200кОм и 20кОм.

Резистор R7 должен быть мощностью 0,5Вт. Шунт R4 лучше поставить мощностью 5Вт (греется здорово).

В качестве стабилитрона D2 я установил BZX55C 2V4, а в качестве стабилитрона D3 я установил 1N4740A.

Силовой транзистор 2N3055 можно заменить на более мощный NPN транзистор, например TIP35C, 2SC5200 или другой им подобный, но напрямую в плату их устанавливать нельзя, цоколевка не подходит, необходимо редактировать печатную плату, поэтому устанавливаем на проводах.

2SC5200 в лабораторном блоке питания

транзистор 2SC5200 в ЛБП

Транзисторы BC547/BC557 меняются на BC546/BC556.

Транзисторы дифференциального каскада (T5 и T6) желательно подобрать по коэффициенту передачи тока (h21э).

Подбор транзисторов по коэффициенту усиления

Печатная плата лабораторного блока питания

Печатную плату ЛБП я разводил под свои нужды и размеры компонентов, ссылка на нее под статьей. При желании вы можете ее откорректировать под свои требования.

Печатная плата лабораторного блока питания на транзисторах

Размер печатной платы 84×65 мм. На ней есть подписи порядковых номеров компонентов и их значения.

Обратите внимание на номера выводов переменных резисторов P1 и P2 (P2 относительно P1 развернут на угол 1800). У меня они устанавливаются на шлейфах, поэтому проблем с этим нет.

Потенциометры лабораторного блока питания

Потенциометры не рекомендую устанавливать через разъемы, показанные ниже на фото. При потере их контакта, может произойти скачок выходного напряжения или не работать стабилизация по току, что приведет к выходу из строя T1.

Не рекомендую эти разъемы

Рядом с выходом на печатной плате ЛБП имеются ножевые клеммы с надписями «black», «yellow» и «red» для подключения китайского вольтамперметра. Если вы не применяете такой вольтамперметр, то просто впаиваем перемычки между клеммами  «black» и «red».

А вообще, я не советую применять 4-разрядные китайские вольтамперметры, похожие на мой, так как у них малая частота обновления показаний. Очень неудобно им пользоваться и устанавливать необходимое значение.

Лабораторник на транзисторах

Китайский четырехразрядный вольтамперметр

Транзистор T1 соединяется с печатной платой с помощью проводов, в соответствии с цоколевкой на 2N3055.

Цоколевка транзистора 2N3055

Транзистор 2N3055 в лабораторном блоке питания

Установка 2N3055 на радиатор

Выпрямитель лабораторного блока питания

На схеме выпрямитель отсутствует. Автор схемы предусматривает его расчет индивидуально, под необходимые параметры.

Выпрямитель для ЛБП_Схема

Диодный мост я установил с токовым запасом. Мост KBU610 рассчитан на 6А 1000В, а также на его корпусе есть отверстие для крепления теплоотвода. Также подойдет и любой другой диодный мост на 4А и мощнее. При выборе рекомендую взять запас, цена от этого возрастет незначительно.

Емкость фильтра выпрямителя для лабораторного блока питания также рассчитывается индивидуально, исходя из требований пульсаций и параметров трансформатора. На моей печатной плате имеются два посадочных места под электролитические конденсаторы 3300мкФ 50В. Можно обойтись и грубым расчетом – 1000мкФ на каждый 1А.

Трансформатор, примененный мною, имеет две обмотки по 25В, и каждая обмотка рассчитана на 1,8А. Эти обмотки я соединил параллельно (соблюдая фазировку).

Вообще ток обмотки должен быть рассчитан на превышение тока нагрузки в √2 раз, то есть для нагрузки 2А обмотка должна быть рассчитана на 2,8А.

Не стоит забывать и про выпрямленное напряжение, которое после выпрямления, на холостом ходу, на конденсаторе фильтра будет иметь значение в  √2 раз больше. То есть, для трансформатора напряжением 25В после выпрямления на емкости фильтра (C4 и C5) получится примерно 35В постоянного тока.

Внимание! Для данного лабораторного блока питания я настоятельно рекомендую не применять трансформатор с напряжением вторичной обмотки более 27В. Это обусловлено напряжением перехода коллектор-эмиттер транзисторов BC547/BC557 (оно составляет 45В) и другими предельными параметрами примененных компонентов.

Охлаждение лабораторного блока питания

Самым горячим элементом лабораторного блока питания является регулирующий силовой транзистор T1. Тепло, рассеиваемое на нем пропорционально разнице между входным и выходным значениями напряжения. Транзистор 2N3055 способен рассеять максимум 115Вт.

Таким образом, если на входе стабилизатора 37В, а на выходе мы установим значение 3В, то при токе 2,5А на транзисторе рассеивается примерно (не учитывая падение на шунте R4):

P=(37В-3В)×2,5А=85Вт.

Это рядом с максимумом, учитывая, что транзистор T1 будет работать в линейном режиме и отвести от него такое количество тепла будет очень сложно. Выходом будет применение радиатора с вентилятором от ПК или применение радиатора с достаточно большой площадью поверхности (читать ниже).

При эксплуатации лабораторного блока питания с нагрузкой 1,5А – 2,5А на диодный мост можно установить небольшой теплоотвод в виде алюминиевой пластинки.

Если представить максимально тяжелый режим и на выходе лабораторного блока питания будет короткое замыкание, то в этом случае на транзисторе T1 упадет практически все напряжение (без учета падения на R4), пусть это падение будет равно 35В (берем по максимуму). При этом максимальный ток будет равен 2,5А. Мощность, рассеиваемая на транзисторе T1, будет примерно равна 80-90 Вт. Для такой мощности необходим радиатор  с площадью поверхности 1500 – 2000 см2.

Запуск и налаживание лабораторного блока питания

  1. Проверить все номиналы компонентов по схеме (и печатной плате) ЛБП.
  2. Смыть все остатки флюса и других вспомогательных веществ.
  3. Подключить трансформатор к клеммам «AC». Лабораторный блок должен быть не нагружен – режим холостого хода.
  4. Ручки переменных резисторов P1 и P2 до упора повернуть по часовой стрелке (на максимум).
  5. К выходу ЛБП подключить вольтметр постоянного тока, выбрав необходимый диапазон измерения.
  6. Включить в сеть трансформатор и по вольтметру убедиться в присутствии напряжения на выходе лабораторного блока питания.
  7. Плавно вращая движок подстроечного резистора P4 установить необходимое максимальное значение. Это будет верхний предел выходного напряжения блока питания. Я установил значение 30В.Установка максимального напряжения на выходе ЛБП
  8. Нагрузить ЛБП постоянным резистором или электронной нагрузкой так, чтобы максимально возможный ток нагрузки не превышал 500мА. Я нагрузил ЛБП резистором 60 Ом 5Вт (ставим 60-100Ом) и поместил его в ванночку с водой. Путем вращения движка подстроечного резистора P3 выставить ток 200 мА (предварительно подключить амперметр постоянного тока в разрыв нагрузки). Прогнать ЛБП на этой нагрузке в течение 10-20 минут. Понаблюдать за нагревом. Напряжение при стабилизации тока просядет до нескольких вольт, это нормально.Нагрузил током 200мА
  9. Снять нагрузку. Кратковременно замкнуть выход лабораторного блока питания перемычкой. Убедившись, что ЛБП держит короткое замыкание (КЗ), при этом, ток нагрузки остается примерно равный ранее выставленному пределу (200 мА).
  10. Замыкаем выход резистором сопротивлением 4-15 Ом и плавно вращая, против часовой стрелки, движок P3 устанавливаем предельно максимальный ток ЛБП. Исходя из малых габаритов своего теплоотвода, я обошелся значением 1А. Если соблюдать все номиналы схемы, то максимум можно выставить 2,5А.Установка максимального тока ЛБП
  11. Опять снимаем нагрузку и снова устраиваем режим короткого замыкания, убеждаясь, что лабораторный блок его успешно терпит. Режим КЗ

 

Пункты 8 и 9 рекомендую обязательно выполнять. Если не сработает схема стабилизации тока, и вы замкнете выход или нагрузите ЛБП больше чем положено, то моментально выйдет из строя силовой транзистор.

Транзисторный лабораторный блок питания

Печатная плата лабораторного блока питания на транзисторах СКАЧАТЬ

Оригинальная статья Elektor Electronics №4 1999 СКАЧАТЬ

2 комментария к “Лабораторный блок питания на транзисторах”

  1. Для линейного стабилизатора лучше всё же чтобы он уходил в ограничение по току. Большой ток через регулирующий транзистор может вызвать пробой. И всё входное напряжение с выпрямителя пойдёт в низковольтную нагрузку.

    1. Если вы имели ввиду защиту по току, а не ограничение его, то я с вами вполне согласен, защита в виде триггера или ему подобное просто необходимо, чтобы отключить нагрузку от ЛБП при превышении определенного значения тока и не создавать обогреватель.

Оставьте комментарий