Линейные стабилизаторы напряжения постоянного тока, в отличие от импульсных, обычно имеют низкий уровень пульсаций выходного напряжения и не создают помех радиоприёму, но при большой разнице между входным и выходным напряжением обладают низким КПД. Можно повысить средний КПД регулируемого линейного стабилизатора, если переключать его входное напряжение в зависимости от установленного выходного.
Рис. 1
На рис. 1 представлена схема построенного по такому принципу компактного блока питания с линейным стабилизатором выходного напряжения, регулируемого в широких пределах. Устройство оснащено трёхразрядным цифровым вольтметром, выдаёт стабилизированное выходное напряжение 3,3...18 В при токе нагрузки до 1,2 А. В [1] была описана конструкция, в которой также можно было переключить напряжение на входе стабилизатора, но только вручную. В новом блоке обмотки понижающего трансформатора T1 переключаются автоматически в зависимости от установленного выходного напряжения. Защита устройства от перегрузки по току выполнена, как и в [1], на самовосстанавливающихся предохранителях.
Напряжение сети переменного тока 220 В поступает на первичную обмотку понижающего трансформатора T1 через замкнутые контакты сетевого выключателя с подсветкой SA1 и защитный резистор R2. Резистор R1 ограничивает ток через неоновую лампу подсветки выключателя, уменьшая яркость её свечения и увеличивая срок службы. Варистор RU1 защищает от всплесков напряжения в сети.
Трансформатор имеет две вторичные обмотки. Переменное напряжение с обмотки 5-6-7 трансформатора, имеющей отвод, поступает на выпрямительный мост VD3 через контакты реле K1.1, переключатель SA2 и самовосстанавливающийся предохранитель FU1 или FU2 (в зависимости от положения переключателя). Конденсаторы C10 и C11 сглаживают пульсации выпрямленного напряжения. Включённый в диагональ выпрямительного моста VD5-VD8 светодиод HL1 сигнализирует о срабатывании любого из самовосстанавливающихся предохранителей, резистор R13 ограничивает ток светодиода.
Обмотка 3-4 предназначена для получения повышенного напряжения, необходимого для эффективного управления полевым транзистором VT6, служащим регулирующим элементом в стабилизаторе напряжения. Напряжение этой обмотки выпрямляет диод Шотки VD2 и сглаживает фильтр C4R8C9. Этот узел позволяет обойтись без умножителя напряжения, который был использован в аналогичном стабилизаторе, описанном в [2].
В регулируемом стабилизаторе выходного напряжения в качестве узла сравнения и усилителя сигнала рассогласования применена микросхема параллельного стабилизатора напряжения DA1. Она питается током 3 мА, стабилизированным транзисторами VT3 и VT5. Точное значение этого тока зависит от сопротивления резистора R14. Питание параллельного стабилизатора стабильным током позволяет создать для него комфортные условия работы при значительном изменении напряжения на условном катоде (выводе 3). Конденсатор C14 и резистор R15 предотвращают самовозбуждение стабилизатора.
Выходное напряжение стабилизатора регулируют переменным резистором R20. Чем меньше его введённое сопротивление, тем ниже напряжение на выходе блока - истоке полевого транзистора VT6. Стабилитрон VD10 защищает полевой транзистор от повреждения. Микросхема DA1 всегда поддерживает на своём катоде такое напряжение, при котором напряжение между её управляющим входом (выводом 1) и условным анодом (выводом 2) равно 2,5 В. Резистор R16 - защитный.
К выходу стабилизатора подключён цифровой вольтметр PV1. Диод VD11 защищает его от обратного напряжения, например, в случае подключения к выходу стабилизатора заряженного в обратной полярности конденсатора большой ёмкости.
На транзисторах VT1, VT2, VT4, реле K1, стабилитронах VD1 и VD4, диоде VD9 собран узел переключения входного напряжения стабилизатора. Пока выходное напряжение стабилизатора меньше 7,4 В, напряжение между базой и эмиттером транзистора VT1 меньше 0,5 В, поэтому он закрыт. Вместе с ним закрыты транзисторы VT2 и VT4, а обмотка реле обесточена. На диодный мост VD3 через контакты реле поступает напряжение около 11 В с выводов 6 и 7 трансформатора, что уменьшает мощность, рассеиваемую транзистором VT6.
При увеличении напряжения на выходе стабилизатора транзистор VT1 открывается, вместе с ним открываются VT2 и VT4. На обмотку реле K1 поступает напряжение, ограниченное стабилитроном VD4. Реле срабатывает, на мост VD3 через его переключившиеся контакты поступает напряжение около 20 В с выводов 5 и 7 трансформатора. Резистор R7 создаёт положительную обратную связь, необходимую для создания зоны гистерезиса состояния реле от выходного напряжения стабилизатора. В результате реле отпускает якорь только при снижении выходного напряжения до 7 В. Диод VD9 защищает транзистор VT4 от выбросов ЭДС самоиндукции на обмотке реле в моменты прерывания тока в ней. Конденсаторы C5 и C6 предотвращают ложные переключения реле.
Рис. 2
Изготовленный блок питания имеет компактную конструкцию, все детали размещены в готовом корпусе размерами 129x114x47 мм из листовой латуни толщиной 1 мм (рис. 2). Корпус используется и как эффективный теплоотвод. К нему прикреплены пластмассовые ножки высотой около 10 мм, что нужно для лучшего обтекания его воздухом, а следовательно, для лучшего охлаждения. Корпус не имеет непосредственного электрического соединения с общим проводом блока питания, но для выравнивания потенциалов соединён с ним цепью R3C1R4. Передняя панель блока изготовлена из листового полистирола.
Рис. 3
Поскольку почти половина объёма корпуса занята трансформатором T1, расположение остальных элементов устройства внутри него довольно плотное. Узел выпрямителя на диодном мосте VD3 собран на отдельной монтажной плате, показанной на рис. 3. На ней также находятся конденсаторы C2, C3, C7, C8, C10, резистор R13, диоды VD5-VD8 и самовосстанавливающиеся предохранители. Остальные узлы размещены на плате, изображённой на рис. 4.
Рис. 4
Монтаж плат двусторонний навесной. Все цепи, по которым течёт значительный ток, выполнены монтажным проводом сечением 0,75 мм2. Для маломощных цепей применён провод МГТФ сечением 0,03 мм2. Провод, идущий к движку переменного резистора, экранирован, а те провода, которые находятся под напряжением 220 В, имеют двойную изоляцию.
После проверки работоспособности устройства монтажные платы со стороны соединений покрыты лаком ХВ-784 для предотвращения случайных замыканий и повышения механической прочности монтажа.
Резистор R1 - невозгораемый разрывной, он может быть заменён плавкой вставкой на 0,5 А. Остальные постоянные резисторы - МЛТ, РПМ, С1-4, С1-14, С2-23 и другие аналогичные. Переменный резистор R20 - СП4-1, но может быть заменён на РП1-73а, СП3-9а, СП-04а. При использовании переменного резистора, сопротивление которого отличается от указанного на схеме (оно может достигать 2,2 кОм), потребуется пропорционально изменить номиналы резисторов R17 и R19. Следует иметь в виду, что переменные резисторы меньшего сопротивления обычно более надёжны. Применённый в устройстве варистор MYG20-471 (RU1) можно заменить на MYG20-431, FNR-20K431, FNR-20K471, GNR20D431K. На корпус варистора надет чехол из стеклоткани.
Конденсаторы C5 и C6 - керамические для поверхностного монтажа. Оксидные конденсаторы - импортные аналоги К50-68. Остальные конденсаторы - малогабаритные плёночные.
Диоды 1N4148 можно заменить любыми из 1N914, 1SS244, КД510, КД521, КД522, а диод 1N4004 - из серий 1 N4001 - 1N4007, UF4001 -
UF4007, КД209, КД243, КД247. Вместо диода EGP20A подойдут 1N5401 - 1N5408, FR301 - FR307, диоды серий КД226, КД257, а вместо диода Шотки 1 N5819 - SB140, SB150. Диодный мост RBV-406H заменяется любым из FBU4, KBU6, BR605, КВРС601-КВРС610, RS801-RS807, KBU8. Перед креплением к латунному корпусу блока прижимаемую к нему поверхность моста нужно смазать теплопроводящей пастой.
Стабилитроны 1N4738A заменяются на BZV55C8V2, TZMC8V2. Вместо стабилитрона 1N4736A подойдут BZV55C6V8, TZMC6V8. Светодиод HL1 может быть любого типа и цвета свечения. Микросхему TL431CLP можно заменить на AZ431AZ, LM431ACZ. Транзистор IRLZ44N в этой конструкции можно заменить на IRL2505N, IRL3205, STP65NF06. На время сборки конструкции его выводы соединяют проволочной перемычкой. Через изолирующую прокладку транзистор устанавливают на алюминиевой пластине размерами 125x35x2 мм. Эту пластину затем привинчивают к латунному корпусу устройства, применяя теплопроводную пасту.
Следует заметить, что установка транзистора в корпусе TO-220 на теплоотвод через изолирующую прокладку ограничивает его допустимую максимальную постоянную рассеиваемую мощность приблизительно до 30 Вт. Это следует учитывать, изготавливая блок питания большей мощности. Увеличить её можно соединением нескольких полевых транзисторов параллельно и применением более мощного трансформатора.
Транзистор 2SD1616 можно заменить на SS8550, 2SC2331 или серии КТ961 c коэффициентом передачи тока базы не менее 50. Вместо транзисторов 2SA733 подойдут 2SA709, SS9012, транзисторы серий КТ6115, КТ3107. Замена транзистора 2SC945 - SS9013, SS9014, 2SC1815, серии КТ3102.
В блоке питания применено реле, найденное в неисправной стиральной машине. Оно рассчитано на работу при напряжении на обмотке 12 В, но срабатывает при значительно меньшем напряжении. Измеренное сопротивление обмотки - 440 Ом. На замену ему подойдёт любое реле с приблизительно таким же сопротивлением обмотки и с переключающей группой контактов, способной коммутировать ток не менее 3 А, и срабатывающее при напряжении не более 6 В.
Для применения в блоке питания переделан сетевой тороидальный трансформатор от ленточного ревербератора "Эхо-1". С него удалены все вторичные обмотки и межобмоточный экран. Поверх бумажной изоляции первичной обмотки добавлены четыре слоя полихлорвиниловой ленты. Обмотка 5-6-7 намотана жгутом из шести обмоточных проводов диаметром 0,39 мм каждый, свитых с помощью электродрели. Необходимо заготовить около 25 м жгута. Намотку на тороидальном магнитопроводе ведут виток к витку с помощью самодельного челнока. В секции 5-6 должно быть намотано 123 витка, а в секции 6-7 - 150. Намотав каждый слой, его покрывают слоем бумажной ленты, которую затем пропитывают изоляционным лаком.
Обмотка 3-4 содержит 60 витков обмоточного провода диаметром 0,43 мм. Обе вторичные обмотки укладывают с максимальным усилием, чтобы они плотно прилегали к магнитопроводу. Можно применить другой трансформатор габаритной мощностью не менее 30 ВА, вторичная обмотка которого, используемая в качестве обмотки 5-6-7, рассчитана на ток не менее 1,3 А.
Рис. 5
В качестве вольтметра PV1 применён цифровой встраиваемый прибор V20D-T1 (рис. 5). Он был приобретён в одном из интернет-магазинов за сумму (включая стоимость пересылки), меньшую цены обычного трёхразрядного светодиодного индикатора. Вольтметр измеряет постоянное напряжение от 3,2 до 30 В при потребляемом токе около 20 мА.
Готовый блок начинает работать сразу. При необходимости подборкой резисторов R17 и R19 можно установить желаемые верхнюю и нижнюю границы регулировки выходного напряжения.
Литература
1. Бутов А. Лабораторный блок питания с защитой на самовосстанавливающихся предохранителях. - Радио, 2005, № 10, с. 54- 57.
2. Бутов А. Малогабаритный регулируемый блок питания. - Радио, 2012, № 5, с. 55, 56.
Автор: А. Бутов, с. Курба Ярославской обл.