Двух-полярный лабораторный блок питания своими руками.

Решил пополнить свою лабораторию двух-полярным блоком питания. Промышленные блоки питания с необходимыми мне характеристиками довольно дороги и доступны далеко не каждому радиолюбителю, поэтому решил собрать такой блок питания сам.

За основу своей конструкции, я взял распространенную в интернете схему блока питания. Она обеспечивает регулировку по напряжению 0-30В, ограничение по току в диапазоне 0,002-3А.

Для меня это пока более чем достаточно, поэтому я решил приступить к сборке. Да, кстати схема этого блока питания одно-полярная, так что для обеспечения двух-полярности - придётся собирать две одинаковые.

Сразу скажу, что силовой транзистор Q4 = 2N3055 в данном блоке питания (в этой схеме) не подходит. Он очень часто выходит из строя при коротком замыкании и ток в 3 ампера практически не тянет! Лучше всего и гораздо надёжнее, поменять его на наш родной совковый КТ819 в металле. Можно поставить и КТ827А, этот транзистор составной и в этом случае надобность в транзисторе Q2 отпадает и его, а так же резистор R16 можно не ставить и базу КТ827А подключить на место базы Q2. В принципе можно транзистор и резистор и не удалять (при замене на КТ827А), всё работает и с ними и не возбуждается. Я сразу поставил наши КТ827А и не удалял транзистор Q2 (схему не менял), а заменил его на BD139 (КТ815), теперь и он не греется, правда вместе с ним надо заменить R13 на 33к. Выпрямительные диоды у меня с запасом по мощности. В исходной схеме стоят диоды на ток 3 А, желательно поставить на 5 А (можно и поболее), запас лишним никогда не будет.

Блок питания;

R1 = 2,2 кОм 2W
R2 = 82 Ом 1/4W
R3 = 220 Ом 1/4W
R4 = 4,7 кОм 1/4W
R5, R6, R20, R21 = 10 кОм 1/4W
R13 = 10 кОм (если используете транзистор BD139 то номинал 33кОм ) R7 = 0,47 Ом 5W
R8, R11 = 27 кОм 1/4W
R9, R19 = 2,2 кОм 1/4W
R10 = 270 кОм 1/4W
R12, R18 = 56кОм 1/4W
R14 = 1,5 кОм 1/4W
R15, R16 = 1 кОм 1/4W
R17 = 33 Ом 1/4W
R22 = 3,9 кОм 1/4W
RV1 = 100K триммер
P1, P2 = 10KOhm линейный потенциометр (группы А)
C1 = 3300 uF/50V электролитический
C2, C3 = 47uF/50V электролитический
C4 = 100нФ полиэстр
C5 = 200нФ полиэстр
C6 = 100пФ керамический
C7 = 10uF/50V электролитический
C8 = 330пФ керамический
C9 = 100пФ керамический
D1, D2, D3, D4 = 1N5402,3,4 диод 2A — RAX GI837U
D5, D6 = 1N4148
D7, D8 = 5,6V зенеревский
D9, D10 = 1N4148
D11 = 1N4001 диод 1A
Q1 = BC548, NPN транзистор или BC547
Q2 = 2N2219 NPN транзистор (можно заменить на BD139 )
Q3 = BC557, PNP транзистор или BC327
Q4 = 2N3055 NPN силовой транзистор (заменить на КТ819 или КТ 827А и не ставить Q2, R16)
U1, U2, U3 = TL081, опер. усилитель
D12 = LED диод.

Индикатор;

Резистор = 10K триммер - 2 шт.
Резистор = 3K3 триммер - 3 шт.
Резистор = 100кОм 1/4W
Резистор = 51кОм 1/4W - 3 шт.
Резистор = 6,8кОм 1/4W
Резистор = 5,1кОм 1/4W - 2 шт.
Резистор = 1,5кОм 1/4W
Резистор = 200 Ом 1/4W - 2 шт.
Резистор = 100 Ом 1/4W
Резистор = 56 Ом 1/4W
Диод = 1N4148 - 3 шт.
Диод = 1N4001 - 4 шт. (мост) или любые другие на ток не менее 1 А. (лучше 3 А)
Стабилизатор = 7805 - 2 шт.
Конденсатор = 1000 uF/16V электролитический
Конденсатор = 100нФ полиэстр - 5 шт.
Операционный усилитель МСР502 - 2 шт.
C4 = 100нФ полиэстр
Микроконтроллер ATMega8
LCD 2/16 (контроллер HD44780)

В качестве измерителя (индикаторов), после поисков в просторах "инета", было принято решение использовать схему на микроконтроллере Atmega8, позволяющую реализовать два вольтметра и два амперметра с использованием одного дисплея.

За основу корпуса блока питания, был взят корпус от нерабочего ИБП, который мне подарили друзья из сервисного центра. Ну а дальше немного терпения, и пилил, точил, кромсал. Процесс сборки блока питания запечатлел, и некоторые подробности предоставляю Вашему вниманию.

Да, кстати печатные платы которые я собрал, немного отличаются от печатки, которую я выложил в архиве. Просто после сборки передвинул детали и "положил" на плату конденсатор, это как оказалось, может быть очень полезно для экономии места в корпусе.

Так как, у меня силовые транзисторы прикреплены к радиатору просто через термо-пасту, то потребовалось изолировать их радиаторы друг от друга и от корпуса. Для этого я в авто-магазине прикупил пластмассок, через которые и прикрепил радиаторы к корпусу БП.

Потом конечно же всё проверил и прозвонил, всё оказалось замечательно, ничего, нигде не касается и не коротит.

Для обеспечения температурного режима элементов блока питания, разметил и высверлил в корпусе вентиляционные отверстия для отвода тепла, потом немного покрыл корпус грунтовкой, чтобы выявить какие остались косячки.

Под чутким руководством Кирилла (Kirmav) прошил микроконтроллер и проверил работу индикатора, пока что без калибровок.

Вольтметры работают нормально, амперметры нагрузить было нечем, но скорее всего тоже работают, так как касаюсь пальцами контактов на плате, значения на индикаторе меняются.

День как говорится, закончился для меня очень удачно.

Потом перемотал (вернее домотал) силовой трансформатор. Раньше на нём была одна силовая обмотка на 24 В переменки, домотал ещё одну для второго канала БП, благо - тор, и разбирать ничего не нужно. Так же добавил ещё одну обмотку на 8,5 вольт переменки (примерно 12В постоянки), проводом 0,5 мм. Запитал от этой обмотки индикатор и куллер с регулятором оборотов, всё вроде нормально работает.

Имейте в виду, что для данного блока питания необходим трансформатор с двумя раздельными вторичными обмотками.

Трансформатор с вторичной обмоткой со средней точкой не подойдёт!

Стабилизатор 7805 греется, но в принципе рука держит, значит температура его около 35-40 С, с заменой радиатора думаю все станет лучше.

Регулировка для куллера была выдрана из комповского БП и в общем то работает нормально.

Немного греются диоды на плате индикатора (диодный мост), но думаю не так страшно.

Начал красить корпус, потом уже после того, как его покрасил, только на фотографии заметил, что не прокрасил заднюю часть лицевой панели, а она выглядывает из за корпуса и вид её не очень, придется заново её перекрасить.

Забыл сказать про индикатор, вольтамперметр. Автор этого вольтамперметра, пользователь C@at с сайта c2.at.ua. За основу моего индикатора, была выбрана та схема, где на одном дисплее реализуются два вольтметра и два амперметра.

Сначала я собрал эту схему, но в процессе наладки выявилось то, что данная схема хорошо работает там, где два источника с общим минусом, а вот в двух-полярном блоке питания она совершенно не желает отображать отрицательные величины.

Долго мне пришлось повозиться, прежде чем на появились положительные результаты.

И вот наконец, на основе наработанной другим человеком схемы, нескольких дней "плясок с бубном", работой с протеусом, кучей потраченного времени и нервов, я построил свою, которая способна показывать величину отрицательного плеча. Правда она показывает её в положительной полярности, но это не сильно печально, главное, что она уже работает, и я связался с автором прошивки и попросил его немного изменить прошивку так, чтобы ко второму каналу индикатора (U2 и А2), программа просто пририсовывала бы минусы к выводимым показаниям (надеюсь на его помощь). Но это уже так, просто эстетический момент, главное что схема уже работает.

Прошу знатоков посмотреть схему и оценить номиналы (в амперметре подобраны методом тыка, но погрешность очень мала и меня более чем устраивает).

Потом сделал печатку для индикатора, собрал всё в кучу и проверил. Вольтметры заработали оба и амперметр положительного плеча тоже. Плюс ко всему, сегодня твердо уяснил для себя, что все надо проектировать заранее, а потом уже пилить и вытачивать. Ну да ладно это все мелочи. В общем посидел, покипел и кое что дорисовал, потом проверил отрицательный амперметр - все работает. В связи с этим выкладываю свою печатку вольт-амперметра, может кому и сгодится.

Плату собирал из того, что было под руками. Для шунта взял 45 см. медного провода, диаметром 1мм и намотал его спиралью и впаял в плату. Я конечно понимаю, что медь не лучший материал для шунта (конечно же не в коем случае не прошу следовать моему примеру), но меня пока устраивает, а дальше будет видно.

В печатке которую я вытравил себе - немного "накосячил" с диодным мостом (видно на фото платы), но переделывать было уже лень - вышел из положения перекрестив диоды, после этого печатку поправил (в архиве исправленный вариант). Так же на схеме и на печатке есть разъём для подключения куллера.

Хочу сказать, что после того как схема заработал, я прямо таки полюбил протеус, не плохо оказывается работает, и уяснил для себя, что чтобы добиться желаемого результата, надо расширять свои познания в разных областях, и естественно учиться.

Ещё один вечер пришлось посвятить черчению передней панели. Дело это хоть и не сложное, но все же нудное и требует много терпения.

Для черчения, я в основном использую программу "Компас 3D". Не знаю кому как, но мне почему то проще сначала сделать 3D-модель, а уже потом на её основе изготовить чертёж. Мне как то в свое время стало просто интересно что нибудь в "Компасе" начертить, чтобы соблюсти все размеры и прочее, решил попробовать, и как то это всё затянуло. Я конечно не владею Компасом на ура, но на базовом уровне вполне себе ничего. Ну и помимо Компаса - некоторая доработка передней панели в фотошоп.

Я уже говорил, что попросил автора схемы и прошивки - немного переделать саму прошивку, и вот наконец-то при его поддержке (спасибо ему огромное), удалось изменить приветствие при включении блока питания, а так же дорисовать долгожданный минус в отрицательном плече второго канала индикатора (мелочь, а приятно).У меня это теперь выглядит вот так.

Ну, и специально для тех, кто решит повторить данную конструкцию, он сделал общий вариант приветствия при включении блока питания, который выглядит следующим образом (ну и конечно-же минусы в отрицательном плече).

Специально для тех кому интересно, выкладываю так же в прикреплённом архиве печатку платы контроля работы куллера. Я её перерисовал с готовой платы которая была изъята из комповского бп - должна работать.

P.S. Сам ещё её не собирал.

При испытании собранного БП - решил проверить усилочик, отданный мне в дар. Блок питания успешно справился со своей задачей (обеспечил требуемое напряжение и ток для проверки) правда больше полутора ампер усилок не потреблял в момент проверки.

Для тех, кто решит собирать данный блок питания, скажу, что схема проверенная, повторяемость 100%, при правильной сборке из исправных, проверенных деталей, в налаживании практически не нуждается.

Правда регулировка напряжения и тока раздельная для каждого канала, но это может и лучше с одной стороны.

В архиве установка FUSE (фузов), которые соответствуют работе от внутреннего генератора 4MHz, скрин установки для программы PonyProg.

Удачи в сборке!

Если у кого-то возникнут какие либо вопросы по конструкции блока питания, задавайте их на форуме.

Архив для статьи

Первый предлагаемый блок питания (БП) рекомендован на форуме CQHAM.ru для сборки начинающими радиолюбителями.

Примечательна схема отсутствием грубых ошибок и действительно рабочая, хотя мелкие недочеты имеются. Хорошо симулируется в таких программах как Workbench.

С помощью этой рабочей проверенной схемы можно получить напряжение от 0 до 30 В. При этом БП не боится КЗ в нагрузке даже при максимальном напряжении на выходе, а предусмотренной в схеме защитой можно установить ток ее срабатывания от 0 до 10 А (выше не проверялся). В случае перегрузки ток удерживается на установленном значении. Воздействие ударной нагрузки в 10 А вызывает провал напряжения на 20 мВ в течение 10 микросекунд. При хороших трансформаторе (достаточно мощном, 150 Вт и больше) и фильтре пульсации на выходе не превышают 3 мВ при полной нагрузке.

Опорное напряжение 8 В получено от двух стандартных стабилизаторов 7815 и 7808, соединенных последовательно. С первого снимается +15V для питания LM324, а со второго, соответственно, берется +8V для опорного напряжения, подающегося на входы ОУ.

На диодах VD2, VD3 выполнено устройство задержки включения стабилизатора. Дело в том, что питание на ОУ регулирующей платы должно установиться раньше, чем включится стабилизатор. В дальнейшем, на работу стабилизатора, эти элементы никак не влияют.

При включении питания, пока емкость в 47 мкФ не зарядится через резистор 3 кОм и переход Б-Э транзистора VT3, последний будет открыт и насыщен, а стабилизатор будет закрыт и напряжение на выходе стабилизатора равно нулю. Через определенное время, когда конденсатор зарядится, напряжение на выходе стабилизатора начнет возрастать.

Усиленный сигнал с вывода 7 ОУ DA1 подается на вход компаратора DA4. Как только напряжение на его 10 ножке превысит напряжение , установленное на 9 ножке, компаратор переключится и своим током через светодиод начнет открывать транзистор VT3. Напряжение на выходе блока начнет снижаться, компаратор DA4 переключится — напряжение начнет расти и т.д. Порог срабатывания DA4 однозначно определяется пороговым напряжением на 9 ножке, а оно выставляется (т.о. устанавливается требуемое напряжение).

Аналогично работает канал токового регулирования — только работает DA3.
Остальная часть схемы БП особенностей не имеет.

В БП применена распространенная микросхема LM324 (в ее составе четыре ОУ). Транзисторы можно поставить любые мощные n-p-n, но с 150-200% запасом по току нагрузки и соответствующим допустимым напряжением. Например, до 10 А хорошо работают 3-4 транзистор а типа КТ819АМ – ГМ (А1-Г1). При желании получить 50 А в нагрузке , нужно установить КТ829 на радиатор и увеличить количество выходных транзисторов КТ827 до 6-8, с соответствующими выравнивающими резисторами в цепи эмиттера. Следует предостеречь «любителей большого тока» — если у Вас после выпрямителя и фильтра, допустим, 30 В, а вы снимаете с выхода БП 12 В при 10 А в нагрузке, то 180 Вт никакие транзисторы не выдержат.

Диоды VD 2, VD 3 — любые кремниевые на ток 1А.

материалы:

Радиокот

Второй вариант лабораторного блока питания

DOUBLE LAB POWER SUPPLY

Выходное напряжение 0…30 В/ 0-5А

Изюминка этого 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.

Рабочая схема. Отлично симулируется в Workbench

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.

U1 — LM358 (для лучшей динамики схемы U1B заменить на TL071 / TL072)