Witam. Jestem w trakcie budowy zasilacza ZU-1. Autor przedstawił na str. 5 schemat przełącznika ograniczenia prądu. Składa się on z kilku rezystorów i ma niewielki zakres regulacji prądu(5 pozycji). W swoim zasilaczu chciałbym uzyskac regulowane ograniczenie prądu w zakresie 0-8A. Znalazłem na elektrodzie regulowany ogranicznik prądowy 8A ( http://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=9891691#9891691 ). W załączniku wysyłam narysowany na szybko w Paint-cie schemat. Czy mógłby ktoś sprawdzic czy uda się coś z tego zrobic? W załączniku projekt zasilacza.
Projekty AVT
Praktyczny
zasilacz
warsztatowy
ZU-1
2808
część 1
2808
Nie ma wątpliwości, że zasilacz to jeden
z najważniejszych przyrządów warsztatowych. Jest to również temat „dyżurny” w popularnej prasie elektronicznej. Oferta jest bardzo bogata i nie jest łatwo dokonać wyboru,
bo nie zawsze zgadzamy się z koncepcją autora konkretnego urządzenia. Inne potrzeby ma
początkujący elektronik, a inne zaawansowany konstruktor. Budowa prostych, niezbyt
wydajnych zasilaczy ma sens właśnie w celach edukacyjnych, natomiast docelowo
każdy marzy o posiadaniu zasilacza „mocnego”, wielofunkcyjnego i o dobrych parametrach. Ja również budowałem i użytkowałem
różne typy zasilaczy, a ostatnie kilka lat używałem zasilacza opartego na kostce µA723.
Czytelnicy EdW na pewno go zauważyli
w artykułach o układach zapłonowych obok
tytułu każdego odcinka. Nadszedł jednak
dzień, że zasilacz ten przestał mi się podobać,
dostrzegłem jego wady, a między innymi:
– regulacja napięcia nie od zera, a od 2…3V,
– duży spadek napięcia między wejściem a
wyjściem (określany skrótem UDO), rzędu 3V,
– dość duży spadek napięcia stabilizowanego,
rzędu 0,1V przy obciążeniu 0…5A,
– nierównomierna skala przy potencjometrze
głównym.
Postanowiłem zbudować zupełnie nowy
zasilacz, a kostkę µa723 wysłać na zasłużoną
emeryturę obok takich weteranów jak µA709,
µA741.
Zwykle przed przystąpieniem do budowy
nowego urządzenia trzeba zobaczyć „jak to
robią inni?”.
Zgromadziłem około 20 układów z różnych czasopism, w nadziei że znajdę coś
gotowego do wykonania i... nie znalazłem.
Ale w każdym opisie było coś interesującego
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
i dopiero po zebraniu wniosków z różnych – posiadać zabezpieczenie termiczne z możliopisów w jedną całość złożyłem koncepcję wością wyboru (samowyłączanie, buzer, wennowego zasilacza. Wiadomo, że nie uda się tylator),
zbudować urządzenia idealnego, ale trzeba – posiadać mierniki napięcia i prądu (oddzielne, analogowe lub cyfrowe, zależnie od gustu
próbować osiągnąć parametry zbliżone.
użytkownika),
Nowy zasilacz powinien mieć:
– regulację napięcia stabilizowanego od zera, – aby zasilacz był przydatny w praktyce, po– skala przy pokrętle potencjometru główne- winien mieć zakres napięcia stabilizowanego
0…30V prądu maksymalnego nieciągłego do
go powinna być liniowa,
– UDO nie powinno być większe od 1V, przy 7…8A (np. do testowania modułów zapłonowych), prądu niestabilizowanego do 15A
kilkuamperowym obciążeniu,
– spadek stabilizowanego napięcia nie powi- i nieciągłego do 25…30A oraz mocy stabilinien być większy od 30mV, przy kilkuampe- zatora do 40…50W. Nie powinien być typu
impulsowego ze względu na wymagany niski
rowym obciążeniu,
– pewny i prosty ogranicznik
prądu z możliwością wyboru Rys. 1 Schemat modułu stabilizatora głównego
zakresu,
i pomocniczego
– krótki czas odpowiedzi na
duże zmiany obciążenia,
czyli dobrze działać z obciążeniami impulsowymi i o dużych częstotliwościach (ogólnie określa się to obciążeniem dynamicznym),
– dodatkowy zasilacz stabilizowany małej mocy, potrzebny przy testowaniu układów wymagających podwójnego zasilania,
– mieć wyprowadzone na
zewnątrz napięcie niestabilizowane, a nawet tylko wyprostowane przez odłączanie
kondensatora
głównego,
a także napięcie przemienne
(praktyka wykazuje, że do
testowania różnych układów
nie zawsze potrzebne jest
tylko napięcie stabilizowane),
13
Projekty AVT
poziom zakłóceń i tętnień na wyjściu,
– możliwość ładowania akumulatorów ołowiowych z ograniczeniem napięcia i prądu.
Jakby tego było mało, to jeszcze powinien
mieć prosty (przejrzysty i jasny) układ elektroniczny, złożony z łatwo dostępnych elementów oraz łatwy w uruchomieniu.
Po analizie tych wymagań odpadają układy z µA723, L200 i LM317 z przystawkami
mocy, układy zbudowane z elementów dyskretnych i pozostaje tylko układ tranzystora
szeregowego, sterowanego za pośrednictwem
wzmacniacza operacyjnego. Aby jednak
sprostać postawionym wymaganiom, nie
musi to być tradycyjny darlington ani typowy
wzmacniacz operacyjny, ze względu na duże
UDO oraz ograniczenia napięciowe wzmacniacza operacyjnego. Trudno byłoby zdobyć
wzmacniacz operacyjny pełnozakresowy od
wejścia i wyjścia, wytrzymujący 40V i 50mA
obciążenia.
Opis układu
Stabilizator szeregowy
Schemat modułu stabilizatora głównego i pomocniczego bez elementów zewnętrznych
przedstawiony jest na rysunku 1. Układ jest
rzeczywiście bardzo prosty i łatwo można
odróżnić poszczególne bloki, a ponieważ są
one nieco odmienne od powszechnie stosowanych, będę musiał udowodnić celowość
takich rozwiązań. Zaczniemy od „tranzystora” regulacyjnego, składającego się aż
z trzech tranzystorów o różnym typie przewodnictwa, tworzących jak gdyby „zygzak
emiterowy”. Faktycznie jest to potrójny darlington komplementarny, często też zwany
zmodyfikowanym. Na pewno Czytelnicy
będą co najmniej zdziwieni – po co trzy tranzystory, kiedy w publikowanych schematach
były dwa lub nawet jeden. Pozornie mają
rację, ale popatrzmy na rysunek 2. Tranzystor
szeregowy TSZ sterowany jest przez co najmniej trzy tranzystory zawarte w strukturze
µa 723 (rysunek 2a) lub wzmacniacza operacyjnego LM358 (rysunek 2b). W sumie tych
tranzystorów szeregowych jest po 5 szt., czyli
i tak nasz „zygzak emiterowy”, mający 3 tranzystory, jest „krótszy”. Tranzystory w strukturach kostek sterujących kradną dodatkowo po
ok. 1,5V z napięcia zasilania, co daje w sumie
duże UDO, wynoszące 3…4V. Nasz „zygzak
emiterowy” jest samowystarczalny, ma
ogromne wzmocnienie, wynoszące setki
tysięcy oraz małe napięcie nasycenia wynoszące 0,7…1V, zależnie od obciążenia.
Dodatkowe zalety to możliwość zastosowania
tranzystora NPN jako T1 oraz prosta budowa
i bardzo „płaska” charakterystyka ogranicznika prądu. Na rysunku 2c podałem prądy baz
poszczególnych tranzystorów przy prądzie
obciążenia 0,8 i 5A. Należy jeszcze wyjaśnić
obecność diody D5 oraz wartość rezystora
R8. „Zygzak” pracuje również bez tej diody,
ale czasami zdarzała się niestabilność prądu
14
Im. Prąd Im stąd, że układ testowałem kiedyś
w układach zapłonowych i nie został wdrożony tylko z powodu trudności w zakupie tranzystorów PNP wysokiego napięcia. Jako D5
można zastosować zwykłą diodę SI, ale
napięcie otwarcia i nasycenia (tu UDO min)
będą o ok. 0,3V wyższe (tabelka przy rysunku
2c). Z kolei rezystor R8 też nie może być
dowolny, bo jeśli za mały, to nie zostanie skutecznej zbocznikowany prąd sterujący przez
tranzystor końcowy wzmacniacza błędu. Jeśli
za duży (statycznie działa nawet 0,5MΩ,
dając milionowe wzmocnienie ogólne), to stabilizator będzie za wolny, tworząc dużą stałą
czasową z kondensatorem antyoscylacyjnym
wzmacniacza błędu. Praktycznie wartość ta
powinna być w granicach 8kΩ, ale nie mniej
niż 6,2kΩ i nie więcej niż 10kΩ (bo duża stała
czasowa). Najlepiej jeśli rezystor R8 jest
dobrany tak, aby tranzystor wyjściowy kostki
LM393 wchodził w nasycenie przy wyzerowaniu potencjometru P1. Napięcie wyjściowe
minimalne nie powinno być wtedy większe
od 3mV przy obciążeniu tylko R15, zimnych
tranzystorach T1 i T2 oraz przełączniku S1
ustawionym na 24V~. Jeśli nie zależy nam na
małym UDO, to diody D5 i D6 można zastosować zwykłe krzemowe, bo są pewniejsze
„napięciowo”, a i wzmacniacz błędu jest
wtedy nieco stabilniejszy.
Czytelnicy na pewno zauważyli, że przy
dość dużej mocy stabilizatora nie zastosowałem kilku tranzystorów równoległych w
ramach T1. Doświadczenia praktyczne wykazały, że niekonieczne jest łączenie równoległe
tranzystorów w stabilizatorach o podanej
mocy, ale należy zastosować odpowiedni
tranzystor i duży radiator. Mam taki zwyczaj,
że każdy uszkodzony tranzystor średniej
i dużej mocy zapisuję w notatkach. Chodzi tu
głównie o powierzchnię (dokładanie – prze-
Rys. 2 Praktyczne układy stabilizatorów szeregowych: a – z kostką
723, b – z kostką 358, c – potrójnego darlingtona komplementarnego
z kostką 393, d – podwójnego darlingtona klasycznego z kostką
393, e – potrójnego darlingtona
klasycznego z kostką 393
krój powierzchni) płytki krzemowej, rodzaj
podłoża, typ obudowy. Praktycznie uzyskamy
to samo, jeśli zastosujemy 6 szt. BD911, połączonych równolegle, o przekroju płytki SI
6x5mm2 albo 1 szt. KD503, o przekroju płytki krzemowej 36mm2. Przekroje płytek
wymienionych tranzystorów różnią się siedmiokrotnie, a prądy katalogowe mają prawie
jednakowe. W tabeli 1 podałem wymiary
płytki krzemowej niektórych tranzystorów
mocy. Próby cieplne różnych tranzystorów
mocy wykazały, że bardziej miarodajne jest
dobieranie tranzystorów według wymiarów
płytki krzemowej niż danych katalogowych.
Katalogi czasem zaniżoną moc tłumaczą
warunkami pomiaru np. temperaturą obudowy (45...90oC). Klasyfikacja według wymiarów pytki dotyczy również diod prostowniczych (i Zenera). I tak: popularne diody
radzieckie D203 do 246 cieplnie wytrzymują
tyle, co krajowe D32, chociaż pierwsze mają
prąd katalogowy 5A, a D32 = 30A, ale płytkę
SI mają o prawie identycznych wymiarach
oraz podobną obudowę. Ostatecznie decyduje
radiator oraz sposób połączenia tranzystora
z radiatorem. W opisanym stabilizatorze tranzystor mocy można montować bez przekładki
izolacyjnej. Tranzystor KD501…503 zamontowany bez przekładki na radiatorze żebrowanym typu „akordeon”, o wadze 400g, wytrzymuje około 50W bez chłodzenia wymuszonego, dochodząc do ok. 90oC na obudowie
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
Projekty AVT
tranzystora. Wskazane jest dodatkowo użycie
pasty silikonowej. Przy połączeniu równoległym tranzystorów należy jeszcze wspomnieć
o dodatkowych stratach na wyrównawczych
rezystorach emiterowych. Stabilizator szeregowy można też zbudować, tworząc tradycyjny układ darlingtona, przedstawiony na
rysunku 2d. Uzyskanie małego napięcia
nasycenia (tu UDO) będzie jednak niemożliwe,
ponieważ sterowanie bazy tranzystora sterującego następuje z kolektora i musi być zawsze
o 0,2…1V wyższe od napięcia na bazie T2’.
Aby prawidłowo działał ogranicznik prądu
oraz wzmacniacz błędu (regulował od zera
Uwy), rezystor R8’ nie może być mniejszy od
4,7kΩ, co z kolei wymusza zastosowanie
tranzystorów T1’ i T2’ o dużym wzmocnieniu. Tu również wskazane jest dobranie rezystora sterującego R8’ tak, jak w przypadku
„zygzaka”. Tranzystor mocy powinien mieć
β & gt; 60 dla prądu 5A, a sterujący & gt; 300 dla
prądu 0,2A. Tranzystory dawniejsze typu
KD501… 503 mają najczęściej β = 60/5A
i doskonałe warunki chłodzenia, tj. miedzianą
podstawę obudowy i aluminiową kopułkę.
Nowsze tranzystory w obudowie TO218 typu
BD249 mają duże wzmocnienie (posiadany
egzemplarz ma 130/5A), ale dla poprawienia
kontaktu z radiatorem nie zaszkodzi dodatkowa obejma, dociskająca korpus tranzystora do
radiatora. Jako tranzystor sterujący może być
dowolny typ w obudowie TO220, 10…40W,
2…8A i napięciu 60…100V o jak największym wzmocnieniu..
Niektóre zasilacze mają dodatkowy obwód
sterowania tranzystorów szeregowych z podwyższonego napięcia, uzyskując znacznie
mniejsze UDOmin. Możliwe jest wtedy zastosowanie tranzystorów o mniejszym
wzmocnieniu lub darlingtonów monolitycznych, ale kosztem rozbudowania układu. Jeśli
nie posiadamy tranzystorów o dużym wzmocnieniu, to możemy zmontować darlington klasyczny potrójny, przedstawiony na rysunku 2e jako wersja ZU-1B. Dla uproszczenia
można wtedy zamiast T1’’ i T2’’
zastosować BDW83 lub zamiast
T2’’ i T3’’ – TIP 120 lub podobny.
Jeśli nadal nie wiemy, którą wersję
wybrać, to można zerknąć do tabeli 2, gdzie podałem podstawowe
cechy wszystkich wersji. Uważni
Czytelnicy na pewno zauważą, że
parametry tego zasilacza są bardzo
podobne do równorzędnych (pod
względem wydajności) zasilaczy
fabrycznych.
Wzmacniacz błędu
Tab. 1 Podstawowe parametry „cieplne” niektórych tranzystorów i diod dużej mocy 1) dla
temperatury obudowy = 50°C, d) tranzystor
w układzie Darlingtona, β – na podstawie
posiadanych egzemplarzy
Tab. 2 Podstawowe parametry zasilacza ZU-1
oraz wersji pochodnych ZU1A i ZU1B
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
Tu również zamiast wzmacniaczy
operacyjnych zastosowałem komparator LM393 z wyjściem typu
otwarty kolektor. Dzięki takiemu
rozwiązaniu można tranzystor wyjściowy komparatora zasilać oddzielnym i wyższym napięciem.
Napięcie na końcówce 7 jest zawsze wyższe o ok. 0,7V od napięcia
wyjściowego i może dochodzić do
36V, przy zastosowanym transfor-
matorze 24…25V. Nie wiadomo dokładnie,
jakie napięcie K-E wytrzyma tranzystor końcowy, więc dla „spokoju” zastosowałem
diodę D4 zabezpieczającą tranzystor. Komparator typu 393 ma parametry wejściowe bardzo podobne do wzmacniacza operacyjnego
typu 358 i dlatego możliwa jest regulacja
napięcia prawie od zera. W praktyce jest to
kilka mV bez obciążenia wyjścia i ok. 0,5mV
przy obciążonym wyjściu. Aby regulacja taka
była możliwa, potencjometr P1 (rysunek 1)
musi wykazywać najwyżej 2…3Ω przy dolnym położeniu suwaka. Rezystor R7 pokrywa
„martwą” strefę napięcia wejściowego komparatora K2, wynoszącą ok. 1,3V. Resztę,
czyli 4,7V, pokrywa potencjometr P1. Jeśli P1
będzie inny, np. 22kΩ, to i R7 trzeba proporcjonalnie zwiększyć. Nie zalecam stosowania
potencjometru wieloobrotowego, bo utrudnia
nastawianie szybko żądanego napięcia,
natomiast przydatny może być dodatkowy
potencjometr (precyzer) włączony między R7
a P1 o wartości 3…5% potencjometru głównego, szczególnie przydatny przy cyfrowym
odczycie napięcia wyjściowego. W moim
zasilaczu zastosowałem potencjometr starego
typu PM101 o dużej średnicy, po przemyciu
i przestawieniu suwaka na inną ścieżkę. Jeśli
zastosujemy precyzer, to przy wyliczaniu
R7 wartość precyzera traktujemy łącznie
z potencjometrem głównym. Rezystancję najlepiej obliczyć, wyznaczając proporcję matematyczną.
Przed dobieraniem rezystorów należy
zmierzyć faktyczną rezystancję potencjometru P1, bo rzeczywista wartość często różni się
nawet o 30% od deklarowanej. Np. jeśli
zamiast 10kΩ jest 13kΩ, to:
____ ___ ; R7 ≈ 3,6kΩ
13k
R7
=
4,7V 1,3
(zawsze bierzemy nieco większy od wyliczonego).
W ten sposób uzyskujemy równomierną
skalę bez martwych odcinków, a nanoszenia
wartości napięć na skali dokonujemy przy
środkowym ustawieniu precyzera. Ponieważ
tranzystory szeregowe oraz komparator K2
mają duże wzmocnienie, to w procesie regulacji (ciągłego porównywania napięcia wyjściowego z napięciem odniesienia, ustawianym potencjometrem P1) powstają oscylacje
pasożytnicze. Aby wytłumić oscylacje w.cz.,
należy zastosować kondensatory C4 i C5.
Kondensator C4 wprowadza dla najwyższych
częstotliwości ujemne sprzężenie zwrotne,
a C5 bocznikuje do masy. Wspomniałem już
że kondensatory te, a zwłaszcza C5, należy
dobrać jak najmniejsze ze względu na parametry dynamiczne. Przy braku kondensatora
C4, C5 musiałby mieć ok. 2,2µF, ale wtedy
zasilacz będzie za wolny przy obciążeniu
impulsowym. Powolność zasilacza jest najbardziej odczuwalna w zakresie 1...10kHz
i jeśli ktoś chce sprawdzić dobór kondensatorów na oscyloskopie, to najlepiej generator
15
Projekty AVT
ustawić na ok. 5kHz. Skłonność do wzbudzeń
i oscylacji pasożytniczych jest zależna od
wzmocnienia ogólnego tranzystorów szeregowych. Wzbudzenia likwidujemy, zwiększając
proporcjonalnie kondensatory C4 i C5, aż do
skutku, ale bez przesady, bo jednocześnie
maleje szybkość zasilacza. Jeśli kondensator
C4 będzie za duży w stosunku do C5, to linia
napięcia wyjściowego będzie lekko ząbkowana tuż przed zadziałaniem ogranicznika prądu
(ustawionego na 0,5A). Najlepiej jest wtedy,
jeśli kondensator C4 liczbowo wynosi
1,3...1,5 C5, ale pierwszy w pF, a drugi w nF.
Na rysunku 2 (c, d, e) podałem wartości kondensatorów dobrane jako pewne do każdej
wersji, ale niewykluczone, że i odpowiednio
mniejsze wystarczą w indywidualnych przypadkach. Napięcie pomiarowe stabilizatora
pobiera się z dzielnika R11 i R12. Rezystor
R11 służy do ustawiania napięcia wyjściowego maksymalnego. Chociaż dla małych obciążeń może ono wynosić tylko o 0,7 mniej niż
na wejściu, dochodząc do 35V, to i tak spadnie poniżej 30V przy dużych obciążeniach
(dla trafo 2x12V). Dlatego w celu otrzymania
pełnej i dokładnej skali najlepiej ustawić je na
30V i przy małym obciążeniu. Dioda D7
tłumi przepięcia pochodzące z obciążenia
indukcyjnego (np. silniki DC) i powinna być
sporej mocy, rzędu 5…10W; doskonale nadają się obecnie modne diody mocy, tzw. transile. Kondensator C6 dobrany jest praktycznie
tak, aby z rozładowaniem (bez obciążenia
zewnętrznego z dołączonym R15 na płytce)
nadążał przy typowym „kręceniu” potencjometru P1. Jednak przy obciążeniu krótkimi
impulsami o dużej wartości prądu powinien
być on kilkakrotnie większy, dlatego na
zewnątrz płytki przewidziany jest dodatkowy
kondensator (COUT) o poj. 4700µF. Obserwacja impulsów na oscyloskopie wykazała,
że bardzo krótki i szybki impuls o dużej wartości prądu ma wierzchołek opadającej piły,
bowiem kondensator C6 szybko się rozładuje,
a zespół regulacyjny (wzmacniacz błędu) ma
pewne opóźnienie i nie zdąży natychmiast
wyrównać
napięcia.
Po
dołączeniu
COUT+OUT impulsy miały prawidłowy kształt
prostokątny oraz pełną wartość napięcia i prądu. Przeglądając wspomniane wcześniej ok.
20 zasilaczy, zauważyłem takie, które prawie
na pewno nie pracowałyby dobrze z obciążeniem dynamicznym. Mam na myśli kondensator odpowiadający naszemu C5. Spotykane
wartości rzędu 100…470nF są jeszcze w miarę, ale były i 2,2…4,7µF, a rekordzista miał
w tym stopniu 100µF. Również kondensatory
wyjściowe (u nas C6) były stawiane „na oko”,
tj. 22…470µF, a rekordzista miał 0.
W początkowych wersjach zasilacza jako
wzmacniacz błędu próbowałem zastosować
LM358 i z powodzeniem, ale ze względów
napięciowych trzeba było na wyjściu zastosować dodatkowy tranzystor oraz skrzyżować
wejścia wzmacniacza, jednak ze względu na
16
Fotografia trójwymiarowa - oglądać w okularach anaglifowych
Zobacz też nieporównanie lepszy efekt: www.elportal.pl/3d
bardzo duże wzmocnienie trzeba było stosować ujemne sprzężenie zwrotne, trudniejsze
było tłumienie oscylacji i nieco gorsza stabilizacja.
Blok napięcia odniesienia
Komparator typu 393 wymaga napięcia zasilającego w zakresie 3…36V. Dla bezpieczeństwa nie należy przekraczać 33V, podobnie
jest ze stabilizatorami trzykońcówkowymi
typu 78XX. Aby do maksimum uprościć zasilacz (bez pogorszenia parametrów), zdecydowałem się na wykorzystanie stabilizatora
7806 do zasilania pozostałych stopni K1 i K2
oraz napięcia odniesienia do zasilania potencjometru P1 (wraz z R7 i precyzerem). Napięcie odniesienia, czyli tzw. referencyjne,
w większości przeglądanych zasilaczy było
pobierane z diody Zenera w granicach 10V,
ale pomiary jednoznacznie wskazują, że napięcie wyjściowe stabilizatora (temperaturowo i wartościowo) jest stabilniejsze od diody
Zenera.
Aby jeszcze zmniejszyć tętnienia na wejściu i wyjściu, zastosowałem kondensatory
elektrolityczne. Montowane równolegle „lizaki” 100nF w żadnym miejscu nie były przydatne, ale zwolennicy ich stosowania mogą
dołączać je równolegle do wszystkich elektrolitów. W sieci zdarzają się różne przepięcia,
podskoki napięcia, zakłócenia, itp. I aby przypadkowo U2 nie uległ uszkodzeniu, należy go
zabezpieczyć diodą Zenera 33V o mocy
5…10W. Rezystor R1 należy obliczać na
napięcie równe różnicy Uwe max i UDZ. Np.
napięcie maksymalne bez obciążenia może
czasami osiągać 37V, a napięcie na diodzie
D1≈33V, czyli 4V przy przyjęciu prądu diody
D1 i U2 około 40mA, R1 wyniesie 100Ω.
Moc rezystora będzie 4V x 0,04A = 0,16W,
ale aby się nie nagrzewał, przyjmujemy
0,25…0,5W. Jeśli w obwodzie kolektora T5
będzie włączony przekaźnik wentylatora, to
R1 może być 1W, a przy U2 niewielki radiator. Napięcie referencyjne nie musi być akurat
6V, może być 5V lub 8…10V. 6V przyjąłem
dlatego, że transformator najczęściej jest
przełączany na 12 lub 24V i aby zapewnić
spory zapas na wejściu U2, przy ustawieniu
na 12V~ oraz obciążeniu T5 przekaźnikiem
lub wentylatorem 6V będzie odpowiednie.
Jako dioda D1 również może być transil 33V.
Jeśli w obwodzie kolektora T5 nie będzie
obciążenia, to rezystor R1 można zmienić na
360...430Ω, zmniejszając znacznie obciążenie
diody D1, której wtedy wystarczy moc
1...1,3W, a stabilizator U2 może być w małej
obudowie (LM78L06).
Blok ograniczenia prądowego
Właściwie to nie jest żaden blok, tylko jeden
tranzystor T4 oraz rezystor pomiarowy R0.
Dioda D6 jest potrzebna tylko wtedy, gdy
zasilacz będzie służył też do ładowania akumulatorów. Napięcie wsteczne diody powinno
być większe od diody D7, najlepiej powyżej
40V. Może też być dioda germanowa małej
mocy lub krzemowa, jeśli D5 będzie krzemowa. Przy braku diody D6 ulegał uszkodzeniu
tranzystor T4 oraz tranzystor końcowy U1B
przy zaniku napięcia sieci podczas ładowania
akumulatora. Prąd „przechodził” przez R10,
złącze B-K T4 i dalej na otwarty tranzystor
końcowy U1B. Zanim ostatecznie przyjąłem
tę wersję ogranicznika, próbowałem tak jak
inni stosować wzmacniacze operacyjne z pomiarem napięcia na rezystorze 0,1Ω, włączonym w przewód masy, regulacją prądu płynną, ale kłopoty z oscylacjami i niestabilnością
prądu spowodowały, że zrezygnowałem na
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
Projekty AVT
korzyść tego rozwiązania. Ogranicznik prądu
pełni tu rolę bezpiecznika elektronicznego,
a nie dokładnego źródła prądowego i nie musi
być superprecyzyjny. Ograniczany prąd trochę się zmienia w zależności od temperatury
tranzystora T4, tak jak w kostce µA723. Jeśli
chcemy uzyskać kilka stopni ograniczania,
musimy zastosować przełącznik rezystora R0.
Wartości prądów przyjmujemy wg własnych
przewidywanych potrzeb. Ja przyjąłem następująco: 0,05A dla drobnej elektroniki oraz
testowania diod małej mocy, 0,5A do ładowania akumulatorów motocyklowych 4...7Ah
oraz testowania diod i złączy B-E tranzystorów średniej i dużej mocy (np. dobieranie
w pary lub do pracy równoległej), 3,5A do
ładowania akumulatorów 35...40Ah oraz testów diod większej mocy. Zakres 8A służy do
testowania modułów zapłonowych, żarówek
i ściemniaczy dużej mocy. Stopień ostatni
– bez ograniczania prądu, służy do testowania
układów impulsowych, takich, gdzie prąd
średni wynosi 2...5A, ale impulsy prądowe
sięgają 10...12A. Włączenie ogranicznika
zmieniłoby pracę układu, a chwilowy spadek
napięcia (bo z ograniczeniem prądu spada też
napięcie) mógłby zakłócić pracę pozostałych
stopni urządzenia. Przełącznik ogranicznika
prądu pochodzi z trzysekcyjnego przełącznika
od starego prostownika radzieckiego, z sekcjami połączonymi równolegle. Układ połączeń jest taki, aby podczas przełączania nie
był przerywany prąd główny, który mógłby
spalić rezystor R10 i złącze B-E tranzystora
T4. Schemat przełącznika przedstawiony jest
na rysunku 3. Na zaciskach R0 występuje
najczęściej napięcie około 0,65V. Aby obliczyć R1, dzielimy 0,65V przez 8A i wychodzi
0,08Ω. Aby obliczyć R2, dzielimy 0,65V
przez 3,5A i wychodzi 0,18Ω na oba rezystory R01+R02. R02 będzie 0,18-0,08=0,1Ω
i tak kolejno odliczając od ostatniej rezystancji obliczone wcześniej rezystory. R01 trudno
będzie kupić, więc jeśli nie mamy drutu oporowego o średnicy ok. 0,8mm, dającego się
lutować, to łączymy równolegle dwa rezystory 0,15Ω (lub 0,15 i 0,18). Przełącznik, który
wymieniłem, ma kilkanaście pozycji i można
zakresy prądowe przyjąć inne, według uznania. Rezystory ogranicznika muszą być dobrane nie tylko w celu uzyskania odpowiedniego
prądu, ale także pod względem obciążenia
mocą. Należy przyjąć zapas mocy dwukrotnie
większy niż wynika to z iloczynu napięcia
i prądu (0,65 x Iabc). Działanie ogranicznika
można uznać za prawidłowe, jeśli prąd prawie
się nie zmienia przy przełączaniu uzwojeń
z 12 na 24V oraz spada do zera, jeśli skręcimy
potencjometr P1 w lewo do oporu. Utworzenie
zakresu prądowego poniżej 50mA nie jest
wskazane ze względu na wstępne obciążenie
rezystorem R15, ale w przyszłości planuję
wyposażenie zasilacza w precyzyjne źródło
prądowe w zakresie 1µA...50mA. Mam nadzieję, że opiszę ten układ na łamach EdW.
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h
Zabezpieczenie termiczne
Kontrola temperatury radiatora w obudowie
jest utrudniona i nieprzewidywalna, więc
konieczne jest zabezpieczenie termiczne. Są
różne rozwiązania, np. sygnalizacja akustyczna, świetlna, wentylacyjna, często połączona
z samowyłączaniem stabilizatora. Ja nie lubię
szumiącego urządzenia, więc wentylator
wykluczam, tak samo i buzer. Pozostawiłem
samowyłączanie z sygnalizacją optyczną za
pomocą superjasnej czerwonej diody LED
D3. Wolna połówka komparatora U1 pracuje
jako najprostszy regulator temperatury. Podwójna dioda D2 wykorzystana jest jako czujnik przykręcony do radiatora w pobliżu tranzystora T1. W urządzeniu modelowym jako
czujnik wykorzystane jest podwójne złącze
B-E tranzystora darlingtona w obudowie izolowanej, ale może to być każda dioda podwójna czy potrójna (np. BAP 811, 812) lub
pojedyncza, a nawet termistor przyklejony na
klej epoksydowy do radiatora, należy tylko
dobrać odpowiedni rezystor R4. W stanie
zimnym dioda D3 nie świeci, a tranzystor T5
nie przewodzi i nie ma wpływu na pracę
wzmacniacza błędu U1B. Jeśli tranzystor
mocy osiągnie ok. 90oC, a radiator ok. 80oC
przełączy się komparator U1A, zaświeci się
dioda D3, a tranzystor T5 przejdzie w stan
nasycenia, blokując całkowicie stopień mocy
T1-T3. Napięcie wyjściowe spadnie do zera
tak, jakby było ustawione potencjometrem P1
na minimum. Przerwa trwa ok. 50 sekund,
więc mamy czas na przełączenie uzwojenia
wtórnego na niższe napięcie lub jeśli to niemożliwe, na zmniejszenie obciążenia, a jeśli
i to niemożliwe, to przejście na zasilanie
z gałęzi niestabilizowanej. Po ostygnięciu
wszystko wraca do poprzedniego stanu.
W przypadku wykorzystania tranzystora T5
do sterownia wentylatora należy zdjąć zworę
J (jumper), bo wystąpi znaczna różnica napięć
między wyjściem wzmacniacza błędu a napięciem VCC. Często spotyka się rozwiązanie
z automatycznym przełączaniem uzwojenia
wtórnego transformatora poprzez przekaźnik
sterowany wzmacniaczem uczulonym na
wartość napięcia wyjściowego. Ja tego nie
zastosowałem, bo często korzystam z napięcia
niestabilizowanego przy wyłączonym stabilizatorze. Kiedyś miałem zamontowane takie
rozwiązanie, ale nie byłem z tego zadowolony, bo aby korzystać z innego napięcia, musiałem włączać też stabilizator i go przestrajać
w zależności od potrzeby, a dodatkowo utrudniał mi prace przy korzystaniu z autotransformatora. Jeśli zasilacz będzie przewidziany do
intensywnego użytkowania, to jednak należy
zastosować wentylator z oddzielnym włącznikiem i najlepiej z silniczkiem indukcyjnym,
pozostawiając system samowyłączania bez
zmian. Można też zainstalować tzw. „inteligentne chłodzenie” po wprowadzeniu odpowiednich zmian w układzie zasilacza.
Zasilacz pomocniczy
Często testujemy lub konstruujemy urządzenia lub układy próbne, wymagające podwójnego napięcia lub tylko dodatkowo napięcia
ujemnego o niewielkim poborze prądu. Do
tego służy niezależny zasilacz małej mocy,
oparty na układzie LM317. Schemat, wraz
z zasilaczem głównym, jest podany na rysunku 1. Przy napięciu przemiennym uzwojenia
Rys. 3 Schemat przełącznika ogranicznika prądu
Rys. 4 Schemat kompletnego zasilacza
17
Projekty AVT
wtórnego ok. 16V uzyskujemy na wyjściu
napięcie od 1,25V do 17,4V, ale można ustawić
inne napięcie maksymalne, dobierając R13.
Układ scalony LM317 może być obciążony
mocą ciągłą, nie większą niż 1...1,5W, ale jeśli
ktoś przewiduje większe obciążenie, to należy
zastosować radiator oraz większy transformator pomocniczy. W urządzeniu modelowym
jest TS5/5, dający 16V przy 0,3A, podobne, ale
o nieco większej obciążalności prądowej to:
TS 6/40, 6/54, 8/41, 8/024. Jeśli ktoś nawija
samodzielnie główny transformator, to może
nawinąć dodatkowe, niezależne uzwojenie
16V/0,5A i nie montować transformatora
pomocniczego. Widziałem też zasilacze z dodatkową przetwornicą do napięcia ujemnego
w celu zasilania własnych wzmacniaczy operacyjnych starego typu. U nas taka przetwornica
mogłaby zastąpić zasilacz pomocniczy. Do
połączenia obu zasilaczy do podwójnego
napięcia wyjściowego służy włącznik
„DUAL” (S5). Stabilizacja zasilacza pomocniczego wynosi około 15mV przy skoku obciążenia 0-0,5A dla napięcia wyjściowego 10V.
Elementy uzupełniające
Sama płytka drukowana nie wystarczy do
działania zasilacza, musimy więc skompletować pozostałe elementy zewnętrzne. Najważniejszy jest transformator sieciowy o mocy
około 200VA. W urządzeniu modelowym
zastosowałem zwykły, składany typu EI
z wydłużonym oknem, ale nie powinno być
problemu, jeśli zastosujemy toroid. Jeśli przewidujemy zakres 0...30V, to najlepiej kupić
typowy z uzwojeniem wtórnym 2x12V.
Rys. 5 Schematy mierników analogowych: a – woltomierza z rozszerzeniem na 3 podzakresy, b –
amperomierza dwuzakresowego
18
Jeśli transformator nawijamy sami, to zalecam uzwojenie wtórne wykonać na 15V
i 24V, a przełącznikiem napięć przełączać
uzwojenia, a nie mostek prostowniczy jak na
rysunku 4. Większość prac z zasilaczem prowadzimy w zakresie 12...15V, pełny prąd
ładowania akumulatora 12V też wymaga
nieco wyższego napięcia wtórnego. Jeśli ktoś
przewiduje zakres napięcia wyjściowego
0...20V, to może zamontować transformator
17V i ok. 150VA i nie stosować przełącznika
S1, ale należy dobrać rezystor R11 w granicach 6kΩ oraz nie montować elementów R1
i D1, a diodę D7 zmienić na 24...27V. Nie
oszczędzać na mostku prostowniczym i kupić
25...30-amperowy, a jeśli ktoś przewiduje
częste używanie zasilacza niestabilizowanego
z dużym obciążeniem, to zastosować diody
prostownicze D32 lub radzieckie D203...246.
Główny kondensator wygładzający C1 wystarczy 22mF (22000µF), ale jeśli przewidujemy duże obciążenie zasilacza niestabilizowanego, to nie zaszkodzi 33mF lub nawet
44...47mF, oczywiście dostosowany do maksymalnego napięcia. Rezystor 1kΩ/2W na
zaciskach kondensatora służy do jego rozładowania po wyłączeniu przez ok. 60 sekund.
Wyłącznika kondensatora C.IN (na rysunku 4
podany jako S2) używamy wtedy, gdy do
doświadczeń potrzebne jest napięcie tylko
wyprostowane. Wyłącznik S3 służy do wyłączania stabilizatora, jeśli korzystamy tylko
z zasilacza niestabilizowanego ewentualnie
tylko z transformatora (wyprowadzone gniazdo 24V~ lub 15/24V~). Wyłącznik kondensatora wyjściowego dodatkowego C. OUT (S4)
omawiałem w opisie wzmacniacza błędu,
natomiast włącznik S5 (DUAL) w opisie zasilacza pomocniczego. Całość należy uzupełnić
odpowiednimi kontrolkami LED. W zasilaczu
modelowym są podane na rysunku 4 bez
określania rezystora szeregowego. Obecnie jest
w ofercie duża różnorodność pod względem
jasności i najlepiej dobrać rezystory według
własnego uznania. Można jeszcze zainstalować w uznanych punktach bezpieczniki topikowe oraz wyłączniki sieciowe do każdego
transformatora (B1, B2, S.Gł., S.Pom.). Zasilacz powinien być wyposażony w duże,
dokładne mierniki napięcia i prądu wyjściowego. Analogowe czy cyfrowe, to już należy
wybrać samemu. Ja, jako elektronik „dawniejszy”, oczywiście wolę wskazówki i takie też
mierniki omówię dokładniej. Nie zawsze
mamy gotowe woltomierze lub amperomierze
o odpowiednich zakresach, ale mając różne
mikro- lub miliamperomierze można zawsze
rozszerzyć ich zakres pomiarowy. Na rysunku
5 podałem schematy mierników zasilacza
modelowego. Woltomierz z rysunku 5a ma trzy
zakresy pomiarowe dokonywane
przełącznikiem S7. Zakres 2,5V (lub
3V dla skali 30-stopniowej) jest bardzo przydatny do sprawdzania UF
diod i złączy B-E przy dobieraniu
w pary lub połączenia równoległe dla dwóch
wybranych zakresów ogranicznika prądu.
Dodatkowo przełącznik S6 umożliwia pomiar
napięcia stabilizowanego lub niestabilizowanego (V.S/V.NS). Na ogół też nie wystarcza
jeden zakres amperomierza, ale przełączanie
boczników, chociaż teoretycznie możliwe,
jest praktycznie niezalecane ze względu na
obciążalność prądową styków i ich rezystancję. Należy wtedy bocznik dobrać do mniejszego zakresu (rysunek 5b) z nieco większym
zapasem na wytrzymałość prądową, a przełącznikiem S8 włączać w obwód samego miliamperomierza dodatkowy rezystor. Jednak
taki pomiar może przeciążyć bocznik przy
bardzo dużych prądach lub dokonywany w
długim czasie. Nie zawsze pasują nam liczby
wydrukowane na skalach mierników i czasem
należy je zmienić. W tym celu wyskrobujemy
ostrożnie żyletką zbędne fragmenty napisów
i nanosimy nowe czarnym długopisem zwykłym (po żelowym tusz może się „rozłazić”).
Częstym uszkodzeniem mierników magnetoelektrycznych jest zacinanie się wskazówki
w różnych miejscach skali, a powodem jest
obecność opiłków stalowych w szczelinie powietrznej. W takiej sytuacji miernik należy
zdemontować i „wyłapać” opiłki stalową igłą
lub, jeśli jest za duża, to szpilką z przylutowanym grubym drutem. Często spotykanym rozwiązaniem w zasilaczach jest użycie jednego
miernika, przełączanego jako woltomierz
i amperomierz. Ja stanowczo nie zalecam takiego rozwiązania, gdyż wprowadza dyskomfort
pomiarów. Obserwując napięcie, nie widzimy,
co się dzieje z prądem i odwrotnie, o wydłużeniu czasu pomiaru nie wspomnę. Takie rozwiązanie można zastosować do ładowarek akumulatorów lub zasilaczy pomocniczych. Powrócę
jeszcze do problemów z bocznikiem do amperomierza, gdy nie mamy gotowego i musimy go
wykonać sami. Potrzebny będzie drut lub taśma
oporowa z materiału o małym współczynniku
temperaturowym i nieutrudniającym lutowania. Idealnym materiałem jest konstantan, ale
nie jest łatwy do nabycia. Doraźnie można
użyć mosiądzu, bo ma około 4-krotnie większą
rezystywność od miedzi i około 3-krotnie
mniejszy przyrost rezystancji temperaturowej.
Przekrój drutu (taśmy) nie powinien być
mniejszy od dołączonych przewodów, a długość trzeba dobrać doświadczalnie. Czasami
drut oporowy lub rezystory drutowe o dużych
wymiarach można spotkać w „BOMIS-ach”.
Znacznie lepszym materiałem oporowym od
mosiądzu jest nowe srebro i czasem można je
spotkać w sklepach z metalami kolorowymi.
Szukanie odpowiednich średnic jest zbędne, bo
drut doskonale się lutuje i zawsze można złożyć odpowiedni przekrój z cieńszych drutów.
Stefan Roguski
stefan_roguski@wp.pl
Ciąg dalszy w następnym numerze
E l e k t ro n i k a d l a Ws z y s t k i c h