Как сделать регулируемый блок питания?

регулируемый блок питания
4
05/03/2018 18:58:28
Содержание:

Источник питания (ИП) — это часть любого электрического устройства. Он обеспечивает функциональную часть питающим напряжением. Его параметры должны соответствовать определенным критериям.

Обычно это:

  • напряжение необходимой величины и знака;
  • коэффициент пульсации выходного напряжения, соответствующий определенным частотам;
  • наличие или отсутствие стабилизации выходного напряжения;
  • номинальный и максимальный ток нагрузки;
  • защита от перегрузки и короткого замыкания.

Общее описание

Особенность блока питания (БП) в том, что он сделан как отдельный внешний узел. Лабораторный БП — это корпус с лицевой панелью, регуляторами-переключателями, вольтметром, амперметром, выходными клеммами и сетевым шнуром. Далее расскажем нашим читателям о том, что необходимо учесть при самостоятельном изготовлении регулируемого блока питания и как получить оптимальный результат при минимальных затратах.

Для начала остановимся на более широком толковании критериев, которые перечислены выше. Начинаем по списку и рассматриваем напряжение необходимой величины и знака. Это самый важный момент, который в целом определяет схему и конструкцию источника питания. Первое, что необходимо учитывать — это соответствие решаемым задачам. Их число всегда ограничено мощностью БП и, как следствие этого, качеством выходного напряжения.

Пульсации выходного напряжения — это нежелательный параметр, который состоит из низкочастотной составляющей, кратной частоте питающего напряжения и дополнительных более высоких частот. Чтобы влиять теми или иными способами на этот параметр в широком спектре частот, потребуется осциллограф. Иначе его сложно будет оценить.

Стабилизация выходного напряжения — важнейшая характеристика блока питания. Она уменьшает до минимальной величины низкочастотные пульсации и улучшает качество работы нагрузки. Поскольку стабилизатор содержит управляемый элемент, появляется возможность управления выходным напряжением.

Максимальные токи определяют потребительские свойства БП. Чем они больше, тем шире область применения БП. Дополнительно можно упомянуть и напряжения. Падение напряжения на управляемом элементе стабилизатора приводит к его нагреву и ограничивает область применения БП. Поэтому нужны поддиапазоны напряжения, которое подается на вход стабилизатора. Переключение между ними позволяет уменьшить нагрев управляемого элемента стабилизатора при необходимом выходном напряжении.

Защита от перегрузки и короткого замыкания предохраняет управляемый элемент от повреждения током недопустимо большой силы.

Две концепции

Для безопасной эксплуатации любого электрооборудования, с которым непосредственно контактирует человек, необходима надежная изоляция от питающей сети 220 В. Наилучшим решением этой задачи является применение трансформатора. Современный уровень развития техники дает варианты решений, из которых можно сделать выбор. Например, трансформатор может быть:

  • либо в качестве самостоятельного узла и выполнен на стальном сердечнике как стандартный трансформатор (СТ) с первичной обмоткой, непосредственно присоединяемой к электросети;
  • либо в составе инверторной схемы как импульсный трансформатор (ИТ).

Рассмотрим потребительские свойства обоих вариантов. Начнем с непреодолимых характеристик. Для СТ это габариты и вес. Их невозможно изменить, поскольку они связаны воедино с электрической мощностью, соответствующей частоте 50 Гц сети 220 В. Для ИТ это электромагнитные помехи. Если планируется электропитание чувствительных усилителей или радиосхем, ИП обязательно внесет помехи, которые что-то испортят, накладываясь на полезный сигнал. Но если перечисленных задач не планируется, можно взять за основу один из стандартных блоков питания для компьютера.

Компьютерный блок

В таком решении хорошей стороной является получение нескольких стабилизированных напряжений при мощности, которую можно выбрать. Ее величина стандартизована и лежит в пределах от 60 до 1700 Вт. Но можно найти и более мощный блок. Соответственно, и его цена будет порядка $500. Но в результате получаем несколько напряжений компьютерного стандарта: 3,3 В, 5 В и 12 В и токи большой силы — 20 А или больше. Все они привязаны к общему проводу. Поэтому их нельзя соединять последовательно с целью получения более высокого суммарного напряжения.

Другим неудобством компьютерного БП является его неспособность надежно работать с быстро меняющейся нагрузкой. Он спроектирован для электропитания в компьютере памяти, процессора и дисковых устройств. То есть при включении он сразу же загружается почти на полную мощность. Она изменяется только по мере загруженности процессора, но несущественно. Для того чтобы без хлопот работать с таким БП, его надо минимально нагрузить на резистор по выходу 5 В. Для этого можно использовать самодельные спирали из нихрома. Величина сопротивления определяется экспериментально подбором исходя из примерно 0,12 мощности БП и напряжения 5 В.

При слишком малом токе инвертор БП не будет работать, и на подбираемом резисторе не будет напряжения. Регулировать каждое из напряжений 3,3 В, 5 В и 12 В можно только дополнительным стабилизатором. Иначе надо вскрывать блок и вносить изменения в его схему. Наиболее экономичным решением управляемого элемента является проходной транзистор. А это значит, что на выходе каждого канала после стабилизатора плавно регулируемое напряжение будет соответствовать примерно 2,3 В, 4 В и 8 В или меньше. В зависимости от того, как настроен стабилизатор напряжения.

Выбираем схему

БП лучше всего сделать на основе специализированных микросхем 142ЕН3, 142ЕН4, 1145ЕН3, К142ЕН3А, К142ЕН3Б, К142ЕН4А, К142ЕН4Б, КР142ЕН3 или аналогичных им:

Стабилизаторы положительного напряжения
Стабилизаторы положительного напряжения

Для нашего БП применим микросхему 142ЕН3. У нее такие основные параметры:

Основные параметры микросхемы
Основные параметры микросхемы

 Рекомендуемая схема включения этой микросхемы показана далее на изображении:

Базовая схема
Базовая схема
  • Напряжение на входе стабилизатора устанавливается переменным резистором R1.

Но для работы с большими величинами токов нагрузки в схему вводится один или больше силовых транзисторов. Это показано далее на изображениях:

Схема с одним дополнительным транзистором
Схема с одним дополнительным транзистором
Использование трех транзисторов вместо одного для усиления тока. Резисторы R2–R3 изготавливаются из нихромовой проволоки. Их сопротивления подбираются экспериментально так, чтобы токи коллекторов транзисторов были примерно одинаковы.
Использование трех транзисторов вместо одного для усиления тока. Резисторы R2–R3 изготавливаются из нихромовой проволоки. Их сопротивления подбираются экспериментально так, чтобы токи коллекторов транзисторов были примерно одинаковы.

Для правильной работы микросхему питаем от канала 12 В. Коллектор каждого транзистора соединяем с одним из выходных каналов компьютерного БП. Вариант с несколькими транзисторами обеспечивает номинальный ток нагрузки 20 А. Дополнительные транзисторы подбираются соответственно мощности компьютерного БП. В результате получаем общую схему регулируемого блока питания:

Схема на основе одного компьютерного БП
Схема на основе одного компьютерного БП
  • Транзисторы и микросхему обязательно размещаем на общем радиаторе.

Транзисторы будут нагреваться тем больше, чем меньше напряжение на выходе. Поэтому надо расположить микросхему как можно ближе к транзистору. Срабатывание тепловой защиты в ней позволить избежать теплового повреждения транзисторов. Такой блок питания можно использовать для зарядки аккумулятора автомобиля и других целей, соответствующих диапазону напряжений от 0 до 12 вольт.

  • Чтобы использовать каждый канал по максимуму напряжения, надо сделать специальный переключатель на два положения (на схемах не показан). Его задача состоит в том, чтобы соединять выходную клемму канала напрямую, минуя стабилизатор.

Если необходимо получить более высокое напряжение, проще всего продублировать упомянутое устройство. В результате можно получить несколько комбинаций выходных параметров:

  • биполярный источник питания 12 В;
  • однополярный источник питания 3,7 В, 8,7 В, 12 В, 15,3 В, 17 В и 24 В.

Все перечисленные режимы можно получить в одном БП соответствующим положением переключателей. Для регулировки напряжения в каждом плече биполярного источника питания 12 В потребуется сдвоенный стабилизатор. Схема его показана далее на изображении. Однополярный источник питания не нуждается во втором стабилизаторе. Микросхема стабилизатора напряжения позволяет применить еще один компьютерный БП и тем самым достичь напряжения 36 В.

Биполярная схема на основе двух компьютерных БП
Биполярная схема на основе двух компьютерных БП
  • Однополярный источник питания, собранный на основе двух–трех компьютерных БП, использует один стабилизатор и дополнительный коммутатор. Он переключает каналы компьютерных БП и формирует на входе стабилизатора то или иное напряжение поддиапазона. Поскольку при этом схема усложняется, эта опция не показана.

Заключение

Следует заметить, что два компьютерных БП удвоят мощность, а три — утроят. При этом в сравнении с трансформаторным вариантом (на стальном сердечнике) полученная конструкция будет компактнее и легче. Это объясняется тем, что для получения эффективной фильтрации напряжения выпрямителя на низкой стороне при частоте 50 Гц потребуются электролитические конденсаторы в тысячи микрофарад. Если повторять все 6–9 каналов напряжений, которые получаются при использовании двух–трех компьютерных БП, габариты варианта СТ получатся заметно больше.

Важно учесть несколько видов защиты, уже встроенные в компьютерный БП. Иначе их придется либо дополнительно изготавливать, либо без них получится менее надежный блок.  

Также не получится достичь силы тока, характерной для компьютерного БП. Поэтому рекомендуем остановить свой выбор на предложенном регулируемом блоке питания. Поскольку схема его проста, ее можно собрать навесным монтажом. Опорные монтажные колодки при этом размещаются на радиаторе транзистора. Корпус и дизайн БП может быть разнообразным. Он зависит от выбора радиаторов, коммутаторов, амперметра и вольтметра. Поскольку своими руками такое устройство может сделать только умелец с определенным опытом, не имеет смысла навязывать особое мнение.

Изображение пользователя Кононенко Владимир
Кононенко Владимир Инженер-электрик
комментарии:
Чтобы оставить отзыв, пожалуйста, авторизируйтесь используя социальные сети.
добавить комментарий:
Нажимая кнопку Отправить вы соглашаетесь с Пользовательским соглашением и Правилами размещения информации.
Мнение редакции может не совпадать с мнением автора отзыва.
Сколько денег вы тратите на ремонтные работы в год?
от 10 000 до 100 000 рублей
60% (6 ответов)
от 1 000 до 10 000 рублей
40% (4 ответа)
до 1 000 рублей
0% (0 ответов)
Всего проголосовало: 10