Лабораторный блок питания: импульсный или линейный какой выбрать? устройство, схемы и их сравнение

Электроника

Я решил разбить электронику на две части – фальш-панель и управляющая электроника. Причина для такого разбиения – банально не хватило места на лицевой панели, чтобы вместить еще и управляющую электронику.

В качестве основного источника питания для своей электроники я выбрал standby источник. Было замечено, что если его хорошенько нагрузить, то он перестает пищать, поэтому идеальными оказались 7-сегментные индикаторы — и блок питания подгрузят и напряжение с током покажут.

Фальш-панель:

На ней индикаторы, потенциометры, светодиод. Для того, чтобы не тащить кучу проводов к 7-сегментникам, я использовал сдвиговые регистры 74AC164. Почему AC, а не HC ? У HC максимальный суммарный ток всех ножек – 50мА, а у AC – по 25мА на каждую ножку. Ток индикаторов я выбрал 20мА, тоесть 74HC164 точно бы не хватило по току.

 

AtxPower.pdf — схема фальшпанели

Управляющая электроника – тут все слегка посложнее.

В процессе составления схемы, я конкретно налажал, за что и поплатился кучей перемычек на плате. Вам-же предоставляется исправленная схема.

AtxPowerElectronics.pdf — управляющая электроника БП
 
 

Если кратко, то – U1A – диф. усилитель тока. При максимальном тока, на выходе получается 2.56В, что совпадает с опорным у АЦП контроллера.

U1B – собственно токовый компаратор – если ток превышает порог, заданный резисторами, tl494 “затыкается”

U2A – индикатор того, что БП работает в режиме ограничения тока.

U2B – компаратор напряжения.

U3A, U3B – повторители с переменников. Дело в том, что переменники относительно высокоомные, да еще и сопротивление их меняется. Это значительно усложнит компенсацию обратной связи. А вот если их привести к одному сопротивлению, то все становится значительно проще.

С контроллером все понятно – это банальная атмега8, да еще и в дипе, которая лежала в загашнике. Прошивка относительно простая, и сделана между паяниями левой лапой. Но, нем не менее, рабочая.

IAR.rar — прошивка — исходник + hex

Контроллер работает на 8МГц от RC генератора (нужно поставить соответствующие фюзы)

По хорошему, измерение тока нужно перенести на “высокую сторону”, тогда можно будет мереть напряжение непосредственно на нагрузке. В этой схеме при больших токах в измеренном напряжении будет ошибка до 200мВ. Я слажал и каюсь. Надеюсь, вы не повторите моих ошибок.

Отечественные источники питания

Например у Б5-71/3м со временем выходит из строя регулировочный двухосевой потенциометр, который найти можно, но сложно.

Импульсные источники питания Б5-71/1мс и Б5-71мм отличаются тем, что от перепадов напряжения питания 220 В могут выставить другое напряжение на выходе, например 50 В. Поэтому для ответственных работ я их не использую.

Применение старых источников питания Made in USSR и самоделок оставляю в стороне. Только помните о технике безопасности при работе с ними.

Возможно, со временем этот рейтинг блоков питания будет добавляться Hi-End источниками от Agilent, Rohde&Schwarz, а также нашими Актаком и китайскими Rigol, Atten, Uni-T, Siglent и т. д.

Плюсы и минусы

К плюсам можно отнести относительно небольшой вес устройства, довольно большой коэффициент полезного действия. Если сравнивать итоговую сумму, которую можно потратить приобретая комплектующие с заводским аналогом, то такой бп очень выгоден за счет маленькой стоимости.

Также стоит отметить в плюсах широкий интервал напряжения питания. Кроме этого, в блоке питания могут быть встроенные датчики блокирования, на случай если устройство вдруг перегреется.

Помимо плюсов у этого устройства есть и минусы. Самым главным является создание помех, которые потом уходят в окружающий мир. Это происходит во время преобразования импульсов в пониженное напряжение. После того, как начинают появляться помехи, возникает необходимость подавить помехи.

Где взять комплектующие

Все комплектующие можно приобрести в специализированных магазинах, однако не всегда есть возможность их посетить. Кроме того, цена на некоторые составляющие может быть завышена.

К счастью, все необходимые элементы, которые нужны для создания блока питания, можно достать в старых устройствах, лежащих в кладовых, на складах, или просто за

В качестве корпуса для лабораторного источника питания, собранного своими руками отлично подойдет старый, прочный корпус от советского регулятора паяльного инструмента. Если нет подобного корпуса, можно взять любой, подходящий по размерам. Предпочтение стоит отдавать алюминиевым корпусам.

В старом, ненужном телевизоре вполне реально найти нужный трансформатор, лучше делать отвод в 22 в.

После того, как диодный мост будет собран, сверху устанавливается электролитический конденсатор. Вольтамперметр можно заказать из Китая, либо купить в России, цена не сильно отличается. Если нет возможности или желания его использовать, можно ограничиться подстроечными резисторами.

Как все работает

Перед тем, как сделать ЛБП самому, необходимо определиться с принципом работы аппарата и используемыми деталями. В комплект входит трансформатор. На вторичной обмотке он имеет выход в 3 А и 24 В. Для контактов используются клемма 1 и 2

Важно учесть, что именно он оказывает влияние на качество выходного сигнала

Лабораторный БП на Ардуино

Собираемый прибор с предрегулятором имеет диодный мост, выпрямляющий напряжение. Он собран из элементов от D1 до D4. Избавиться от возможных пульсаций помогает установленный фильтр. Он включает в себя конденсатор и резистор. В цепи присутствуют определенные особенности, отличающие сборку его из компьютерного железа.

Обычно применяют для управления выходным напряжением обратную связь. В предлагаемой схеме для данной цели к блоку питания в лабораторной схеме предлагается использовать операционный усилитель. Это позволит сформировать необходимый константный вольтаж. На выходных клеммах он будет наддать до уровня U1.

Регулируемый блок питания лабораторный на lm317 (схема)

В цепи участвует диод D8 с напряжением 5,6 В (зенеровский). Он эксплуатируется с нулевым температурным коэффициентом. Также напряжение падает на выходе U1, выключая D8. После такого события происходит стабилизация цепи, а заряженный поток идет к точке сопротивления R5. Протекающий поток по оперусилителю варьируется незначительно, соответственно он тоже пойдет по точке R6, а также R5. При том, что один и другой рассчитаны для одинакового напряжения, то общий их показатель будет удвоен, ведь это сопоставимо с параллельным соединением.

В результате получим в блоке питания с предрегулятором на выходе из усилителя напряжение в 11,2 В. Схема будет иметь значение усиления в трехкратных пределах.

Корректировать выходные параметры в вольтах помогают элемент сопротивления R10 и RV1. Второй является триммером. В такой ситуации удается снизить вольтаж практически до нуля, несмотря на количество имеющихся потребителей.

С помощью такого агрегата удается сформировать наибольший ток на выходе, получаемый из PSU. Для обеспечения такого явления создаем падение вольт на R7. Он имеет прямую связь с нагрузкой. Выход U3 инвертирует сигнал с нулевым вольтажом, отправляя его на R21.

Схематическое изображение функционала

Предположим, что для последнего выхода имеется несколько вольт. Именно Р2 помогает своей установкой в схеме обеспечить на выходе сигнал в 1 В. При повышении нагрузки получим константное напряжение. После этого установленный R7 будет оказывать не такое существенное влияние на процессы. Этому способствует пониженное его значение. Когда потребители и вольтаж стабильны, то система работает слаженно. Если повышать количество потребителей, то вольтаж на R7 повысится более чем одного вольта. U3 функционирует и сбалансирует имеющиеся показатели к исходным значениям.

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ

Универсальный БП — это надежный источник электропитания, обладающий стабильными выходными параметрами и имеющий двойной запас по мощности. На его передней панели в общем случае должны размещаться:

1. Стрелочные и цифровые измерительные приборы (вольтметр, амперметр). При этом:
стрелочный даст возможность оценить динамические изменения контролируемых параметров;
цифровой позволит с высокой точностью контролировать выходные характеристики БП.

2. Органы управления, с помощью которых регулируют выходные параметры в режимах «грубо» и «точно», индикатор режима работы, тумблер или клавишный выключатель питающей электросети.

Теоретически возможно, но практически нецелесообразно разработать и изготовить универсальный блок питания, который подойдет, как говорят, «на все случаи жизни». Такое устройство будет иметь огромные размеры и вес, а его стоимость превысит все допустимые пределы.

Поэтому современные универсальные источники вторичного напряжения классифицируются по мощности, по номинальному значению выходного напряжения и по количеству выходов питающего напряжения. Исходя из этих градаций и осуществляют выбор необходимого прибора.

По номинальному значению выходного напряжения универсальные блоки питания бывают:

  • низковольтные до 100 В;
  • средневольтные до 1000 В;
  • высоковольтные свыше 1000 В.

По выходной мощности они делятся на:

  • микромощные, выходная мощность которых не превышает 1 Вт;
  • малой мощности от 1 до 10 Вт;
  • средней мощности 10…100 Вт;
  • повышенной (от 100 до 1000 Вт) и высокой (свыше 1000 Вт) мощности.

При этом универсальные источники электропитания могут быть одно или многоканальными, то есть обеспечивающие подачу одного или нескольких питающих напряжений.

Блок питания с регулировкой.

Одним из самых простых универсальных источников электропитания является регулируемый. Например, для начинающих радиолюбителей таким устройством может быть блок питания с током нагрузки в несколько ампер и позволяющий регулировать выходное напряжение в пределах от 1 до 36 В.

К нему можно подключить не только радиотехническое устройство или электродвигатель, но и автомобильный аккумулятор для зарядки.

В основе электрической схемы такого блока питания лежит мощный силовой трансформатор, а на выходе устанавливается мощный транзистор, установленный на теплоотводящий радиатор. Управляет транзистором специальная микросхема. Имеющиеся низкочастотные пульсации и высокочастотные шумы сглаживаются электролитическими конденсаторами большой емкости.

Испытания блока питания

Как оказалось, большая часть измеренного шума исходит от дисплея V/A метр. Импульсный регулятор, который стоит в этом дисплее, подает много шума обратно в источник питания. Для решения этих проблем вернемся к использованию LM7824, который был частью набора, и применим его вместо D10, стабилитрона 10 В, который использовался для создания питания для U3, U5 и Q3.

Чтобы противодействовать просачиванию шума с дисплея, используем D10 для уменьшения питания и для питания дисплея.

Также переместим токовый шунт дисплея с выходной клеммы за пределы токовой петли обратной связи. Это уменьшило еще немного шума и сделало настройку более точной. Поскольку шунт находился внутри контура обратной связи, напряжение на шунте при более высоких токах создавало ошибку. Небольшое, потому что шунт всего 25 мОм, но все же создавало.

Чтобы максимально устранить большие токи на печатной плате, подключим коллекторы Q4 и Q3 непосредственно к точке, где объединяются катоды D1 и D2 и конденсаторы фильтра C1 и C2.

Ещё установим дополнительные подстроечники, чтобы установить максимальное выходное напряжение (RV2) и максимальный выходной ток (RV3)

Важно установить максимальный предел тока. Конденсатор C16 используется тоже для устранения шума

Поскольку светодиоды D14 и D15 теперь подключены к шинам 24 В, их резисторы ограничения тока (R27 и R23) должны удвоиться в значении.

Наконец, выходной конденсатор C7 был увеличен с 10 мкФ до 470 мкФ. Вот окончательная схема с последними изменениями:

Время нарастания питания теперь составляет около 5 мсек, а время спада составляет чуть более 2 мсек при максимальном напряжении и токе, измеренных с помощью динамической электронной нагрузки.

Со всеми этими модификациями выходной шум теперь составляет 18 мВ по всему спектру напряжения и тока и, что более важно, остается на этом уровне в режиме CC / CL. Трансформатор, который в итоге установлен, это 15-0-15 В при 3,5 А

Выбран диодный мост с напряжением 600 В на 10 A, который можно установить на радиатор охлаждения. Немного излишне, но это из-за пусковых токов к конденсаторам основного фильтра. Два 3300 мкФ не подходят для таких токов, поэтому установлены 2 х 10 000 мкФ на напряжение 63 В

Трансформатор, который в итоге установлен, это 15-0-15 В при 3,5 А. Выбран диодный мост с напряжением 600 В на 10 A, который можно установить на радиатор охлаждения. Немного излишне, но это из-за пусковых токов к конденсаторам основного фильтра. Два 3300 мкФ не подходят для таких токов, поэтому установлены 2 х 10 000 мкФ на напряжение 63 В.

Корпус укомплектован главным выключателем, предохранителем и индикатором питания. Также подается с трансформатора AC 15-0-15 на гнезда на передней панели, чтобы использовать переменку для различных целей.

Позже удалось найти простой, но эффективный способ объединить два стабилизатора и создать источник питания с напряжением +30 0 -30 В или источник +60 В.

Принцип прост: если вы подключите выход 0 В одного источника питания к выходу +0-30 В второго, то фактически можете создать источник питания +30 0 -30 В или 0-60 В. Нужно отрегулировать оба измерителя напряжения для установки таких значений, но если хотите измерить цепь с переменным напряжением, нужен механизм отслеживания.

Хитрость заключается в том, чтобы сделать настройку напряжения одного источника в зависимости от настройки другого. После экспериментов с разными способами в итоге остановились на следующей схеме:

Переключатель R41 должен быть установлен так, чтобы настройка напряжения на главном устройстве совпадала с выходным напряжением на ведомом устройстве. Сигнал идущий к выключателю будет близко к опорному напряжению 11V2.

Слева направо: Q4, Q3 и LM7812. Q4 и Q3 изолированы, радиатор LM заземлен, поэтому не нуждается в нем.

Наилучшая точность отслеживания может быть достигнута, если оба источника питания установлены на 30 В в режиме +/-, как на схеме. Затем можно переключить переключатель в режим слежения и настраивать R41 до тех пор, пока ведомый не покажет 30 В. Вы заметите, что отслеживание является довольно точным (около 1%) до тех пор, пока не опуститесь ниже 5 В, затем оно все больше рассинхронизируется до примерно 200 мВ при 1 В. Это должно быть связано с разницей в линейности усиления обоих операционных усилителей U2. В принципе эта точность достаточно хороша.

Учтите, что нужно установить оба предела тока независимо для обоих источников, но если стабилизатор «мастер» переходит в режим ограничения тока, ведомый будет следовать его примеру независимо от своей настройки.

Общее описание

Слово «лабораторные» применяется неспроста, так как их главное предназначение – помогать в лабораториях. Они «живут» там постоянно и даже не транспортируются для проведения ремонта в посторонних помещениях. Специалисты не рекомендуют использовать устройство на открытом воздухе или в автомобиле. Лабораторные также подразумевают корректировку параметров и точную установку показателей.

Продукция российского производства имеет сертификаты соответствия, проходит регулярные поверки, что приводит к удорожанию ее использования. Данные БП могут допустить незначительную погрешность, отличаются надежностью и эффективностью работы, а также длительным сроком эксплуатации.

Настройка

Запускаем. Офигиваем от количества шума!

 

300мВ! Пачки, похоже на возбуждение обратной связи. Тормозим ОС до предела, пачки не исчезают. Значит, дело не в ОС

Долго тыкавшись, я нашел, что причина такого шума – провод! О_о Простой двужильный двухметровый провод! Если подключить осциллограф до него, или включить конденсатор прямо на щуп осциллографа, пульсации уменьшаются до 20мВ ! Это явление я толком не могу объяснить. Может, кто-то из вас, поделится? Теперь, понятно что делать – в питающейся схеме должен быть конденсатор, и конденсатор нужно повесить непосредственно на клеммы БП.

Кстати, насчет Y – конденсаторов. Китайцы сэкономили на них и не поставили. Итак, выходное напряжение без Y-конденсаторов

А теперь – с Y конденсатором:

Лучше? Несомненно! Более того, после установки Y – конденсаторов сразу-же перестал глючить измеритель тока!

Еще я поставил X2 – конденсатор, чтобы хоть как-то поменьше хлама в сети было. К сожалению, похожего синфазного дросселя у меня нет, но как только найду – сразу поставлю.

 

Обратная связь.

Про нее я написал отдельную статейку, читайте

Охлаждение

Вот тут пришлось повозиться! После нескольких секунд под полной нагрузкой вопрос о необходимости активного охлаждения был снят. Больше всех грелась выходная диодная сборка.

В сборке стоят обычные диоды, я думал заменить их диодами Шоттки. Но обратное напряжение на этих диодах оказалось порядка 100 вольт, а как известно, высоковольтные диоды шоттки не намного лучше обычных диодов.

Поэтому, пришлось прикрутить кучу дополнительных радиаторов (сколько влезло) и организовать активное охлаждение.

Откуда брать питание для вентилятора? Вот и я долго думал, но таки придумал. tl494 питается от источника напряжением 25В. Берем его (с перемычки J3 на схеме) и понижаем стабилизатором 7812.

Для продуваемости пришлось вырезать крышку под 120мм вентилятор, и прицепить соответствующую решетку, а сам вентилятор поставить на 80мм. Единственное место, где это можно было сделать – это верхняя крышка, а поэтому конструкция получилась очень плохая – с верху может упасть какая-то металлическая хрень и замкнуть внутренние цепи блока питания. Ставлю себе 2 балла. Не стоило уходить от корпуса блока питания! Не повторяйте моих ошибок!

Вентилятор никак не крепится. Его просто прижимает верхняя крышка. Так вот хорошо с размерами я попал.

Результаты

Итог. Итак, этот блок питания работает уже неделю, и можно сказать, что он довольно надежен. К моему удивлению, он очень слабо излучает, и это хорошо!

Потроха:

Я попытался описать подводные камни, на которые сам нарвался. Надеюсь, вы не повторите их! Удачи!

Критерии выбора

Какой фирмы лучше купить, зависит от сферы использования инструмента. Популярные модели могут использоваться как радиолюбителями для выполнения ежедневных задач, так и при проведении высокоточных измерений и испытаний на промышленных предприятиях. Продукция используется там, где присутствует радиотехника и электроника, то есть повсеместно. Основные направления использования:

  1. Осуществление контроля за качеством элементов радиотехники.
  2. Проведение тестирования электронных агрегатов и схем.
  3. Тестирование контрольно-измерительных приборов.
  4. При производстве и последующем ремонте радиотехники.
  5. В процессе конструирования, проектирования и испытания аппаратуры радиоэлектронного вида.
  6. Применения как источника питания.
  7. Использование в учебном процессе при проведении лабораторных исследований.
  8. В период моделирования физических и электрических процессов.
  9. С целью эмуляции функционирования определенного оборудования.

В зависимости от возникшей необходимости и появляется вопрос, какой аппарат лучше купить и у какого производителя. Как выбрать, чтобы не ошибиться? Желательно предварительно изучить обзор предлагаемых моделей, ознакомиться с отзывами, уточнить в отношении выпускаемых новинок

По мнению покупателей, немаловажное значение имеет материал изготовления. От этого напрямую зависит срок службы прибора и его эффективность

Можно ознакомиться с рейтингом популярных моделей, как недорогих, так и по существенной стоимости.

Особенности выбора

В процессе выбора стоит обращать внимание та такие характеристики:

  • рабочие параметры;
  • размеры;
  • количество и мощность выходных каналов;
  • защитные функции или их отсутствие;
  • достоинства и недостатки;
  • средняя цена товара.

Чтобы устройство выполняло возложенные на него задачи, необходимо обратить особое внимание на технические характеристики:

  1. Нестабильный показатель в питающей сети, если происходит изменение переменного тока.
  2. Показатель шумности в процессе эксплуатации.
  3. Временной отрезок при переходе к начальным характеристикам при изменении тока потребителя.
  4. Качественность измеренных параметров и наличие погрешности.
  5. Разрешение – возможность выставления шага установки показателей на выходе.
  6. Управленческий интерфейс.
  7. Как компенсируются потери, если произвести подключение к четырехпроводной схеме, с целью управления элементами, осуществляющими регулировку выходного потока с использованием измерительных проводов, чтобы компенсировать потерю в питающей сети.

Есть и умельцы, которые в состоянии собрать ЛБП своими руками в домашних условиях. Главное – правильно выбрать схему. Самостоятельно можно изготовить простой линейный блок питания с регулировкой потоков от 1,3 до 30 В, с регулировкой от 0 до 5 А. Получится почти универсальное устройство, которое будет функционировать в режиме стабилизации. При возникновении необходимости можно запитать чувствительную схему или зарядить аккумулятор. Как сделать ту или иную операцию, подскажет пошаговая инструкция, изложенная в интернете.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий