Лабораторные блоки питания с импульсным стабилизатором выходного напряжения, по сравнению с источниками питания с линейным стабилизатором, обычно имеют более высокий КПД, меньшие габариты и массу. Несколько десятилетий назад импульсные источники питания изготавливали по относительно сложным схемам, они имели низкую надёжность и высокую стоимость. В настоящее время, благодаря использованию специализированных интегральных микросхем, такие устройства значительно упростились, их стоимость снизилась, надёжность повысилась.
На рис. 1 представлена принципиальная схема компактного лабораторного блока питания с регулируемым в пределах 1,3...25 В выходным напряжением. Он имеет регулируемую защиту по максимальному току нагрузки, звуковой сигнализатор замыкания выхода и встроенный цифровой вольтметр. Устройство можно использовать не только для питания различных аппаратов, но и для зарядки аккумуляторных элементов током 0,2...1,5 А без применения дополнительных приспособлений для регулировки зарядного тока.
Рис. 1. Принципиальная схема лабораторного блока питания
Напряжение сети ~230 В поступает на обмотку I понижающего трансформатора T1 через плавкую вставку FU1, резистор R2, замкнутые контакты выключателя SA1 и LC-фильтр C6L1C10. Варистор RU1 защищает обмотку I трансформатора и диодные сборки VD3, VD4, VD6, VD7 выпрямительного моста от повреждения высоковольтными импульсами, возникающими в сети, например, во время грозы. Входной фильтр особенно необходим для устранения помех находящимся рядом УМЗЧ или цифровым устройствам. Их могут создавать импульсы самоиндукции, возникающие на первичной обмотке трансформатора при подключении её к сети или отключении от неё.
С обмотки II трансформатора напряжение ~24 В через плавкую вставку FU2 приходит на мостовой диодный выпрямитель. Конденсатор C2 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения.
Регулируемый импульсный стабилизатор напряжения выполнен на микросхеме LM78S40N. Для увеличения нагрузочной способности импульсного стабилизатора микросхема умощнена с помощью внешнего составного биполярного транзистора VT1. Рабочая частота преобразователя напряжения около 29 кГц задана конденсатором C4. Выходное напряжение зависит от введённого сопротивления переменного резистора r9. Чем меньше это сопротивление, тем меньше выходное напряжение. Резистор R4 - защитный. Переменным резистором R8 регулируют порог ограничения тока нагрузки. Если его движок находится в левом по схеме положении, ограничение тока происходит на уровне 1,5...1,8 А. В противоположном положении движка порог понижен до 0,15...0,4 А.
Дроссель L2 - накопительный, конденсатор C12 сглаживает пульсации напряжения. Выходное стабилизированное напряжение поступает на нагрузку через фильтр C11L3C13L4C18C20. Нагрузка может быть подключена как к зажимам "крокодил" X1, X2, так и к разъёму XP1.
При выходном напряжении 1,3...20 В допустим ток нагрузки не более 1,5 А. С повышением напряжения до 25 В допустимый ток нагрузки линейно снижается до 0,5 А. Максимальный ток в верхней части интервала регулирования выходного напряжения я определял по появлению в этом напряжении заметных пульсаций частотой 100 Гц, Стабилизация напряжения нарушалась при большем токе.
КПД стабилизатора - около 72 % при входном напряжении 23 В, выходном напряжении 6 В и токе нагрузки 1,5 А. При напряжении в сети ~210 В блок в режиме холостого хода потребляет от неё мощность 4 Вт. При мощности нагрузки 1 Вт потребляемая мощность возрастает до 5,8 Вт, а при её мощности 10 Вт и 20 Вт - соответственно до 17 Вт и 35 Вт. Если замкнуть выход накоротко, потребляемая от сети мощность не превышает 10,5 Вт. Амплитуда напряжения пульсаций и шумов на выходе блока - около 40 мВ при выходном напряжении 12 В и токе нагрузки 1,5 А, 25 мВ - при 5 В и 1,5 А, 10 мВ - при 25 В и 0,2 А.
На интегральной микросхеме DA1 собран линейный стабилизатор напряжения 8 В, предназначенного для питания цифрового вольтметра PV1 и узла звукового сигнализатора, собранного на транзисторах VT2-VT6. Резистор R1 уменьшает напряжение на входе стабилизатора DA1. Напряжение питания поступает на вольтметр через защитный резистор R21.
Когда напряжение на выходе блока в результате короткого замыкания становится меньше 1 В, транзистор VT2 закрывается, транзисторы VT3, VT4 открываются, в результате чего на генератор ЗЧ на транзисторах VT5 и VT6 поступает напряжение питания. Частота генерируемого сигнала - около 1800 Гц. Светодиод HL1 своим свечением информирует о нормальной работе блока.
Большинство деталей импульсного стабилизатора напряжения установлены на плате размерами 67x60 мм, изображённой на рис. 2. Стабилизатор напряжения 8 В и звуковой сигнализатор смонтированы на плате, показанной на рис. 3. Её размеры - 56x38 мм. Монтаж обеих плат - навесной.
Рис. 2. Детали импульсного стабилизатора напряжения на плате
Рис. 3. Стабилизатор напряжения 8 В и звуковой сигнализатор на плате
На детали входного сетевого фильтра надеты термоусаживаемые трубки, после чего они приклеены к верхней крышке корпуса. Предприняты меры, уменьшающие вероятности искровых разрядов и пробоев между деталями фильтра, магнитопроводом трансформатора и вторичными цепями. На магнитопровод трансформатора со стороны сетевого фильтра наклеена липкая лента, сам сетевой фильтр густо покрыт лаком ХВ-784. Детали фильтра выходного напряжения также приклеены к верхней крышке корпуса. Расположены они между стоящими по бокам монтажными платами (рис. 4).
Рис. 4. Расположение деталей в корпусе лабораторного блока питания
Вольтметр PV1, перед индикатором которого я установил светло-серый светофильтр, - встраиваемый трёхразрядный цифровой с интервалом измеряемого напряжения 0 - 99,9 В, светодиодными индикаторами синего свечения. Для него необходим внешний источник питания. Этот вольтметр изображён на рис. 5. Он был приобретён в зарубежном интернет-магазине. Прибор я доработал - на входе имеющегося в нём интегрального стабилизатора напряжения HT7133-1 установил отсутствовавший ранее керамический конденсатор ёмкостью 1,5 мкФ, место для которого на плате вольтметра было предусмотрено. Имеющимся на этой плате подстроечным резистором можно при необходимости откорректировать показания вольтметра.
Рис. 5. Вольтметр PV1
Блок питания собран в корпусе размерами 148x63x78 мм от неисправной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи на 12 В, 7 А·ч. Такие батареи применяют в системах охранной сигнализации и компьютерных источниках бесперебойного питания. Сборка блока в таком компактном корпусе очень сложна. При отсутствии достаточного опыта и особых требований к компактности блока корпус для него можно склеить из корпусов двух аккумуляторных батарей. В боковых, задней и нижней стенках корпуса просверлено около 400 вентиляционных отверстий диаметром 3 мм. К нижней стенке приклеены четыре ножки высотой 5 мм из микропористой резины.
В качестве T1 применён трансформатор CT-10 TAM 4H291 от блока питания матричного принтера Epson. Он вклеен между стенками корпуса без воздушных зазоров, что улучшает теплопередачу. Дополнительно установлены фиксаторы трансформатора из размягчённого в ацетоне полистирола. Внешняя обмотка на 15 В срезана ножом, её провод удалён. Без разборки трансформатора от следующей вторичной обмотки на 30 В отмотаны 2/3 её верхнего слоя с таким расчётом, чтобы напряжение этой обмотки в режиме холостого хода стало равным 24 В. Это очень трудная операция, поскольку зазор между вторичными обмотками и магнитопроводом трансформатора практически отсутствует. Избежать трудностей позволит применение трансформатора серии ТТП-40 на кольцевом магнитопроводе с вторичной бмоткой 2x12 В.
Можно самостоятельно изготовить трансформатор на Ш-образном магнитопроводе с площадью сечения центрального керна 9 см2. Первичная обмотка - 1253 витка лакированного провода диаметром 0,27 мм. Вторичная - 145 витков такого же провода диаметром 0,82 мм. Пластины магнитопровода собирают вперекрышку. Но для такого трансформатора потребуется корпус большего размера.
Выключатель SA1 - рокерный MR-21, вместо которого можно применить и другие двухполюсные выключатели. Применение двухполюсного выключателя сетевого питания повышает безопасность использования блока. Держатель BLX-A для плавкой вставки FU1 приклеен под трансформатором с таким расчётом, чтобы до него можно было добраться пинцетом. Плавкая вставка FU2 закреплена на пластмассовом каркасе обмоток трансформатора Т1.
Все дроссели - промышленного изготовления. L2 - от стиральной машины намотан на ферритовом кольце диаметром 24 мм. Его обязательно нужно проверить на отсутствие насыщения при максимальном токе нагрузки. Признак насыщения - резкий рост пульсаций напряжения на конденсаторе С12 с частотой 29 кГц при увеличении тока нагрузки. Защита преобразователя по току при этой проверке должна быть отключена соединением движка переменного резистора R8 с выводом 13 микросхемы DA2. Можно применить такой же дроссель, как в устройстве, описанном в [1].
Двухобмоточные дроссели L1, L4 - с пермаллоевыми кольцевыми магни-топроводами диаметром 20 мм, применяемые в ЖК-телевизорах. Дроссель L3 - на ферритовом кольце диаметром 22 мм. Чем больше индуктивность дросселей L1, L3, L4, тем лучше. Общее сопротивление обмоток дросселя L1 - не более 4 Ом. Сопротивление обмоток применённых дросселей L2 - 0,03 Ом, L3 и L4 - 0,02 Ом. Оно должно быть как можно меньше.
Переменные резисторы R8 и R9 - СПЗ-4аМ с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота. Провода, идущие к переменному резистору R8, должны быть сложены вместе и быть как можно короче, не более 7 см. Провод, идущий к переменному резистору R8 от резистора R3, - короткий экранированный. Резистор R2 - импортный невозгораемый. Резистор R6 - импортный безындукционный. Остальные резисторы - МЛТ, РПМ, С1-14, С2-23 или аналогичные. Варистор RU1 - SVC471-14, который можно заменить другим с указанным на схеме классификационным напряжением.
Оксидные конденсаторы - импортные малогабаритные. Конденсаторы C6 и C10 - керамические высоковольтные. Конденсаторы C3, C9, C11, C14, C15, C19- C22 - плёночные. Остальные - керамические или плёночные.
Диодные сборки MBRF20100CT применены в выпрямителе, поскольку они были в наличии. Их можно заменить любыми аналогичными сборками или одиночными диодами (как с барьером Шотки, так и обычными кремниевыми) на прямой ток не менее 3 А и обратное напряжение 100 В. Диод с барьером Шотки SR360 можно заменить на SR306, SR506 и др. Вместо диода PMLL4153 можно установить любой из PMLL4148, 1N4148 или серий КД510, КД521, КД522. Замена диода UF5403 - серий 1 N5400, FR300, SPR300, КД257, КД213, 2Д213. Диоды серий КД213 и 2Д213 можно установить и вместо диодов с барьером Шотки при отсутствии таковых.
Транзистор 2SB1340 - составной с защитным диодом и встроенными резисторами. Максимальный постоянный ток коллектора - 6 А, напряжение эмиттер-коллектор - 120 В, максимальная рассеиваемая мощность - 30 Вт, граничная частота - 10 МГц. Он установлен на алюминиевый теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности 56 см2. В этой конструкции транзистор 2SB1340 можно заменить на TIP105, 2SB1472 и другие подобные.
Замена транзисторов PN2222 - любые из серий KN2222, KSP2222, MPS2222, 2SC1815, 2SC1845, 2SC945, SS9014, КТ6111. Транзистор VT2 должен быть с коэффициентом передачи тока базы не менее 400. Вместо 2SB774 и 2SA552 подойдут любые транзисторы из серий SS8550, SS9013, 2SA931, 2SB564, 2SB1116, КТ6115. Упомянутые транзисторы имеют отличия в типах корпусов и расположении выводов.
Микросхему KIA78S08P можно заменить другим интегральным стабилизатором напряжения в корпусе TO-92 (КТ-26) или TO-92L на +8 В или +9 В (78S08, 78S09, 78L08, 78L09 разных производителей).
Вместо светодиода, указанного на схеме, подойдёт любой другой общего применения. Излучатель звука HA1 может быть не только типа, указанного на схеме, но и любым другим электромагнитным с сопротивлением обмотки 32...300 Ом.
XP1 - стандартный штекер питания 5,5/2,1 мм. Все цепи, по которым протекает ток подключённой к блоку нагрузки, должны быть выполненными многожильными монтажными проводами сечением по меди не менее 1 мм2.
Безошибочно изготовленное из исправных деталей устройство начинает работать сразу. Подбором резисторов R5 и R6 устанавливают максимальный и минимальный пороги ограничения тока. Сопротивление резистора R7 подбирают таким, чтобы максимальное выходное напряжение блока было равно 25 В. Критерий подборки резистора R20 - устойчивое самовозбуждение звукового генератора. Включение звукового генератора при уменьшении напряжения на выходе блока в результате короткого замыкания ниже 1 В обеспечивают подборкой сопротивления резистора R14.
Масса блока питания в сборе без соединительных шнуров - около 1200 г, затраты времени на его сборку не превысили 80 ч. Была проверена электромагнитная совместимость блока с доработанным радиоприёмником "Урал-Авто-2" [2]. В диапазоне УКВ он не создаёт никаких помех, даже если приёмник поставить на блок питания. В диапазонах ДВ и СВ приёмник "чувствует" помехи от блока питания с расстояния не более 40 см. В процессе экспериментов приёмник питался от испытываемого блока.
Рис. 6. Внешний вид блока питания
Литература
1. БутовА. Лабораторный импульсный БП на микросхеме L4960. - Радио, 2011, № 11, с. 27, 28.
2. Бутов А. Доработка радиоприёмника "Урал-авто-2". - Радио, 2017, № 6, с. 12, 13.
Автор: А. Бутов, с. Курба Ярославской обл.