|
||||||
“Двухполярный” лабораторный блок питания
DOUBLE LAB POWER SUPPLY
Оригинал статьи размещен на http://homepages.strath.ac.uk/~cnbp111/ddragon.html
К достоинствам этого лабораторного “двухполярного” блока питания следует отнести:
выходное напряжение 0…30 В
прецизионный ограничитель тока 0…50 мА
малый уровень шумов, фона
приличные динамические характеристики
применение готового трансформатора
Введение
Я разработал этот блок питания в прошлом году, когда возникла потребность в питающем устройстве для экспериментатора “на все случаи жизни”. Большим подспорьем было для меня получение напряжений на выходе такого блока, начиная с нуля, без каких-либо дополнительных преобразований, встречающихся во всех “работающих с нуля” БП, которые я встречал доселе. Мне был также необходим точный ограничитель тока для зарядки аккумуляторов и т. д. 12-вольтовый источник опорного напряжения, несколько резисторов, пара операционных усилителей и…баста ! Дело сделано !
Прототип блока питания, выполненный на макетной плате действительно работал очень хорошо. Отсутствовали обычные в этом деле зависимость выходного напряжения от флуктуаций напряжения сети и изменения сопротивления нагрузки, фон, шум и динамические выбросы. Этот блок питания прошёл даже тест с динамической головкой (присоедините к нагруженному выходу БП через конденсатор небольшой динамик и подставьте его к уху и Вы ничего не услышите) - [однако такой метод приемлем только к стабилизаторам с очень плохим сглаживанием пульсаций, тем более, что услышать пульсации в 100 Гц при таком низком сопротивлении звуковой катушки динамической головки (4…8 Ом) позволит только разделительный конденсатор в тысячи микрофарад, лучше уж для сравнения взять небольшой УЗЧ с высоким входным сопротивлением и на его выходе прослушивать фон, подключив такой УЗЧ, как указано выше. И переходной конденсатор будет небольшой ёмкости и сравнительный с другими БП уровень фона можно будет контролировать - полного отсутствия фона - не бывает, даже непосредственные наводки сети на провода БП дают фон, а мультипликативный фон - каждый диод выпрямительного моста должен быть зашунтирован конденсатором…].
Схема прототипа потерялась, а собранное на макетной плате, конечно же было разобрано “на запчасти”. Однажды, я, всё-таки, нашел схему, когда спустился в подвал, как только она туда попала, ума не приложу…Так и возник этот “Двойной Дракон”, т. е. предлагаемый Вашему вниманию БП.
Схема
Изюминка БП заключается в применении U4 (TL431 - подстраиваемого трёхвыводного источника опорного напряжения) и в его “обвязке”. Питаемый нестабилизированным напряжением через развязывающую цепочку R31, R32, C7, он выдаёт опорное напряжение 12 В. Делитель R15, R16 делит это напряжение на два и выдаёт 6 В при эквивалентном импедансе в 12 кОм, а через R3 снимается образец выходного напряжения. В сумме: при выходном напряжении 0 В, на U1B примерно 5 В, при выходном напряжении 30 В, на U1B - 10,8 В.
Так как напряжение на входе ОУ не опускается до 0 В, то Вам и не нужна отрицательная шина для того, чтобы заставить ОУ работать. Я знаю, что есть ОУ, которые используются в схемах с несимметричным включением, но они, как правило, работают хуже. Итак, для получения хороших динамических характеристик блока питания используйте в нём быстродействующие ОУ.
U1A обеспечивает токоограничение, датчиком для которого служит резистор R11. С номиналами, приведёнными на схеме ограничение тока может устанавливаться от 0 до 500 мА. Чтобы получить другое максимальное значение, измените номинал R11, например, при диапазоне установки ограничения 0…1 А R11 = 0,5 ом, при 0…5 А R11 = 0,1 ом (при нескольких регулирующих транзисторах, включенных впараллель).
Компенсация и стабильность.
Главной проблемой является то, что в этой схеме имеется усиление в петле обратной связи. Это происходит из-за того, что проходной транзистор используется в схеме с общим эмиттером, тогда как в большинстве блоков питания это - эмиттерный повторитель. Операционные усилители компенсированы только для коэффициента усиления 1. А вот несколько способов повышения стабильности, в данной ситуации.
Прежде всего, нужно уделить внимание включению выходного конденсатора С1 относительно сопротивления нагрузки. Его нужно включать именно таким образом, иначе, при подключении ёмкостной нагрузки, можно получить нарушение стабильности блока питания. Конденсатор С2 обеспечивает частичную компенсацию по фронту (по нарастанию) напряжения, цепочка R29C4 - по спаду. Компенсация была подобрана в практической рабочей схеме на макетной плате по максимальному динамическому диапазону, обеспечиваемому блоком питания. (Видимо, по наименьшему изменению выходного напряжения при быстрых изменениях тока нагрузки от нуля до максимума и наоборот).
Токоограничительная петля также компенсирована, но для цели повышения стабильности её постоянная времени больше (она работает медленнее), чем в петле обратной связи по напряжению. Таким образом, если у Вашего БП на выходе случилось короткое замыкание, тут же “разгорается битва” между двумя петлями обратной связи. Через несколько сотен микросекунд обратная связь по напряжению “:побеждает” и лишь небольшой “пичок” тока проскакивает на выход БП. Это та плата, которую платите Вы за довольно широкий динамический диапазон БП и прецизионную установку порога ограничения тока. Это, однако, не приносит вреда никому и ничему.
Выбор трансформатора
Здесь речь в основном пойдёт об обеспечении достаточного запаса напряжения на регулировку. Схема будет успешно функционировать и при запасе в 1…1,5 В, но для компенсации падения напряжения в сети, устранения фона и т. д. необходимо большее входное напряжение. Итак, Вам необходимо, примерно, 35 В выпрямленного напряжения. Трансформатор с 24-вольтовой вторичной обмоткой даст Вам только 32 В (с учётом падения напряжения на диодах), что немного маловато. Следующим напряжением, на которое выпускаются трансформаторы, является 30 В (две обмотки по 15 В, включенные последовательно), что после выпрямителя даст 41 В. Мощность трансформатора составляет:
41* 0,5 * 1,14) = 23 Вт
Выбираем ближайшее большее значение 30 Вт (или 20 Вт, если Вы любите риск). Вот из мощности в 23 Вт и нужно исходить выбирая радиаторы.
P.S. Если Вы используете тороидальный трансформатор, внешняя междувитковая ёмкость его обмотки при ограничении тока вносит фон (примерно 20 мВ “от пика до пика”), но это, наверное, не создаст Вам проблем.
Примечания:
Выходная цепь во всём диапазоне напряжений от 0 до 30В не нуждается в дополнительной минусовой шине.
Обеспечивается низкое падение напряжения.
Конденсаторы С5 и С8 обеспечивают развязку.
С1, С2, R29, С4, R35, С11 обеспечивают компенсацию, тщательно настраиваемую для получения хороших динамических характеристик. Схема перестаёт работать стабильно, если убрать хотя бы один из этих элементов.
R22 потребляет небольшой ток с выхода, чтобы проходной транзистор оставался открытым (это позволяет сохранять хорошую динамику блока). Это также позволяет устанавливать выходное напряжение равным нулю при отсутствии нагрузки. Чтобы не мешать работе схемы ограничения тока, R22 подключен перед резистором-датчиком R11.
Не показано соединение с корпусом ни того, ни другого выходного “полюса”, соединять с корпусом можно любой из них (но не оба сразу – Hi !) или использовать “плавающее” питание. Металлическое шасси для безопасности лучше, конечно же, заземлить.
CURRENT LIMIT = “Ограничение тока”. Heat Sink - радиатор. Bridge – мост.
Список деталей
- Q3, Q4 - 1N4002
- LD1 - светодиод красного цвета (индикация включения ограничения тока)
- Q2 - 2N3904
- Q6 - 2N3906
- Q8 - 2N5551
- Q1, Q7, R1 - TIP 147 (схема Дарлингтона)
- U1 - LM358 (для лучшей динамики схемы U1B заменить на TL071)
Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень, май 2002 г
