Однажды автору этой статьи понадобился достаточно мощный и надежный источник питания с регулируемым в широких пределах выходным напряжением. Изучив доступную литературу, он пришел к выводу, что предлагаемые для повторения устройства имеют недостатки: у линейных стабилизаторов большие габариты (из-за необходимости применения оксидных конденсаторов большой емкости и теплоотводов), у ШИМ стабилизаторов довольно узок диапазон регулирования и в выходном напряжении присутствуют высокочастотные пульсации, а приборы с улучшенными потребительскими качествами (ограничением по току, индикацией режимов, коммутацией обмоток трансформатора и т. д.) относительно сложны. Пришлось искать иные решения, и в результате был разработан источник питания, свободный от названных недостатков.
В предлагаемом лабораторном источнике питания применено двухступенчатое преобразование выпрямленного напряжения: ШИМ преобразование в промежуточное напряжение и последующая линейная стабилизация. Основные технические характеристики устройства следующие: пределы регулирования выходного напряжения - от 1,3 до 30 В, коэффициент нестабильности на напряжению - 0,07 %/В, нестабильность по току нагрузки 0,1 %, максимальное входное (переменное) напряжение - 27 В, КПД преобразования при максимальном токе нагрузки - не менее 70 %. Предусмотрена возможность изменения порога ограничения тока до 1,2 А, имеется нетриггерная защита от короткого замыкания со световой индикацией. Источник отличается малыми габаритами, минимальными тепловыми потерями (при токе нагрузки до 0,3 А теплоотводы не требуются).
Структурная схема устройства показана на рис.1. Входное напряжение Uвх трансформируется ШИМ-преобразователем DA1 в промежуточное Uпр, которое, в свою очередь, является входным для аналогового стабилизатора DA2. Обратная связь через дифференциальный усилитель DA3 поддерживает необходимое для DA2 падение напряжения (для LM317 - 2,5 В), благодаря чему тепловые потери на DA2 минимальны.
Рис.1. Структурная схема источника питания
Принципиальная схема источника питания изображена на рис.2. Выпрямленное напряжение с выхода моста VD1 сглаживается конденсатором С1 и подается на вход ШИМ преобразователя, собранного на элементах DA1, VT2, VD2, L1. Схема включения DA1 - типовая понижающая [1]. Применение микросхемы КР1156ЕУ5 свело к минимуму число пассивных элементов, но наложило ограничение на максимальное входное напряжение, которое в таком включении не должно превышать 40 В. ШИМ с помощью накопительного дросселя L1 и диода VD2 формирует промежуточное напряжение Uпр на конденсаторе С4.
Рис.2. Принципиальная схема источника питания
На микросхемном стабилизаторе DA2 собран линейный регулятор напряжения. Регулируют его переменным резистором R12. Диоды VD3 и VD4 защищают микросхему от обратных токов и отрицательных напряжений и введены в соответствии с рекомендациями по ее применению [2].
ОУ DA3 и резисторы R7-R10 образуют дифференциальный усилитель, следящий за падением напряжения на стабилизаторе DA2. Коэффициент усиления DA3 выбран равным 1,5, что позволяет поддерживать установленное значение во всем интервале напряжений и токов, в том числе и при коротком замыкании выхода. Подстроечным резистором R2 регулируют падение напряжения при налаживании.
На элементах VT1, HL1, R1 выполнен сигнализатор короткозамкнутого состояния выхода. В нормальном режиме транзистор VT1 открыт, и падение напряжения на нем не превышает нескольких десятых долей вольта. При снижении напряжения на выходе источника до 0,7 В и менее транзистор VT1 закрывается и светодиод HL1 начинает светиться. О включенном состоянии источника питания сигнализирует светодиод HL2.
Весьма интересна роль резистора R5. При напряжении на нем более 120 мВ (среднее значение, определенное опытным путем) вступает в действие внутренний ограничитель ширины импульсов микросхемы DA1, превращая ее в источник тока. Этим свойством КР1156ЕУ5 можно воспользоваться для ограничения максимального тока нагрузки. Так, например, при сопротивлении этого резистора, равном 0,1 Ом, источник способен выдавать в нагрузку ток до 1,2 А, а при R5 = 1 Ом - только до 120 мА. Установив резистор сопротивлением 0,5 Ом и ограничив тем самым ток нагрузки значением 240 мА, можно отказаться от теплоотвода для микросхемы DA2 и от внешнего токового ключа ШИМ преобразователя (исключив транзистор VT2, резистор R3 и подключив вывод 2 DA1 к точке соединения дросселя L1 и диода VD2). В этом случае габариты изделия будут ненамного больше спичечного коробка.
В качестве ключа VT2 можно применить любой транзистор со статическим коэффициентом передачи тока базы более 30 и допустимым током коллектора не менее 3 А. Автор использовал КТ805АМ. У него неплохие частотные свойства, поэтому малы потери при переключении. Очень хорошо "ведет" себя на этом месте полевой транзистор IRF3205 - ему не нужен теплоотвод при токе до 1 А.
Индуктивность дросселя L1 может быть любой от 40 до 600 мкГн, единственное требование - он должен быть рассчитан на ток не менее 1,5 А. Резисторы - МЛТ, С1-4 с допускаемым отклонением сопротивления от номинала ±10 %, подстроечный резистор R2 - многооборотный проволочный СП5-2ВБ или подобный, переменный R12 - любого типа сопротивлением 4,7...6,8 кОм. Конденсаторы С1 и С4 - оксидные К50-35 емкостью 220...470 мкФ с номинальным напряжением 63 В, остальные - керамические (КД2, К10-7, К10-17ит. п.).
Налаживание источника питания сводится к установке подстроечным резистором R2 напряжения 2,5 В между выводами 2 и 3 DA2 (при 50-процентной нагрузке).
Источники
- Бирюков С. Преобразователи напряжения на микросхеме КР1156ЕУ5. - Радио,2001, № 11,0.38,39,42.
- Интегральные микросхемы: микросхемы для линейных источников питания и ихприменение. - М.: Додека, 1996.
Автор: С. МУРАЛЕВ, г. Димитровград Ульяновской обл.