Лабораторный блок питания для начинающих своими руками

Добавил пользователь Morpheus
Обновлено: 03.09.2024

При создании различных электронных устройств, рано или поздно, встаёт вопрос о том, что использовать в качестве источника питания для самодельной электроники. Допустим, собрали вы какую-нибудь светодиодную мигалку, теперь её нужно от чего-то аккуратно запитать. Очень часто для этих целей используют различные зарядные устройства для телефонов, блоки питания компьютеров, всевозможные сетевые адаптеры, которые никак не ограничивают ток, отдаваемый в нагрузку.

А если, допустим, на плате этой самой светодиодной мигалки случайно остались незамеченными две замкнутые дорожки? Подключив её к мощному компьютерному блоку питания собранное устройство легко может сгореть, если на плате имеется какая-либо ошибка монтажа. Именно для того, чтобы не случалось таких неприятных ситуаций, существуют лабораторные блоки питания с защитой по току. Заранее зная, какой примерно ток будет потреблять подключаемое устройство, мы можем предотвратить короткое замыкание, и, как следствие, выгорание транзисторов и нежных микросхем.
В этой статье рассмотрим процесс создания именно такого блока питания, к которому можно подключать нагрузку, не боясь, что что-нибудь сгорит.

Схема блока питания

Схема содержит в себе микросхему LM324, которая совмещает в себе 4 операционных усилителя, вместо неё можно ставить TL074. Операционный усилитель ОР1 отвечает за регулировку выходного напряжения, а ОР2-ОР4 следят за потребляемым нагрузкой током. Микросхема TL431 формирует опорное напряжение, примерно равное 10,7 вольт, оно не зависит от величины питающего напряжения. Переменный резистор R4 устанавливает выходное напряжение, резистором R5 можно подогнать рамки изменения напряжения под свои нужны. Защита по току работает следующим образом: нагрузка потребляет ток, который протекает через низкоомный резистор R20, который называется шунтом, величина падения напряжения на нём зависит от потребляемого тока. Операционный усилитель ОР4 используется в качестве усилителя, повышая малое напряжение падения на шунте до уровня 5-6 вольт, напряжение на выходе ОР4 меняется от нуля до 5-6 вольт в зависимости от тока нагрузки. Каскад ОР3 работает в качестве компаратора, сравнивая напряжение на своих входах. Напряжение на одном входе задаётся переменным резистором R13, который устанавливает порог срабатывания защиты, а напряжение на втором входе зависит от тока нагрузки. Таким образом, как только ток превысит определённый уровень, на выходе ОР3 появится напряжение, открывающее транзистор VT3, который, в свою очередь, подтягивает базу транзистора VT2 к земле, закрывая его. Закрытый транзистор VT2 закрывает силовой VT1, размыкая цепь питания нагрузки. Происходят все эти процессы за считанные доли секунды.
Резистор R20 стоит взять мощностью ватт на 5, чтобы предотвратить его возможный нагрев при долгой работе. Подстроечный резистор R19 задаёт чувствительность по току, чем больше его номинал, тем большей чувствительности можно добиться. Резистор R16 настраивает гистерезис защиты, рекомендую не увлекаться с повышением его номинала. Сопротивление 5-10 кОм обеспечит чёткое защёлкивание схемы при срабатывании защиты, более большое сопротивление даст эффект ограничения по току, когда напряжение не выходе будет пропадать не полностью.
В качестве силового транзистора можно применить отечественные КТ818, КТ837, КТ825 или импортный TIP42. Особое внимание стоит уделить его охлаждению, ведь вся разница входного и выходного напряжение будет рассеиваться в виде тепла на этом транзисторе. Именно поэтому не стоит использовать блок питания на малом выходном напряжении и большом токе, нагрев транзистора при этом будет максимальным. Итак, перейдём от слов к делу.

Изготовление печатной платы и сборка

Настройка блока питания

Итак, после сборки схемы можно приступить к её настройке. Первым делом, подаём питание 15-30 вольт и замеряем напряжение на катоде микросхемы TL431, оно должно быть примерно равно 10,7 вольт. Если напряжение, подаваемое на вход блока питания, небольшое (15-20 вольт), то резистор R3 стоит уменьшить до 1 кОм. Если опорное напряжение в порядке, проверяем работу регулятора напряжения, при вращении переменного резистора R4 оно должно меняться от нуля до максимума. Далее, вращаем резистор R13 в самом крайнем его положении возможно срабатывание защиты, когда этот резистор подтягивает вход ОР2 к земле. Можно установить резистор номиналом 50-100 Ом между землёй и выводом крайним выводом R13, который подключается к земле. Подключаем какую-либо нагрузку к блоку питания, устанавливаем R13 в крайнее положение. Повышаем напряжение на выходе, ток будет расти и в какой-то момент сработает защита. Добиваемся нужной чувствительности подстроечным резистором R19, затем вместо него можно впаять постоянный. На этом процесс сборки лабораторного блока питания закончен, можно установить его в корпус и пользоваться.

Индикация

Для индикации выходного напряжения весьма удобно использовать стрелочную головку. Цифровые вольтметры хоть и могут показывать напряжение вплоть до сотых долей вольта, постоянно бегущие цифры плохо воспринимаются глазом человека. Именно поэтому рациональнее использовать именно стрелочные головки. Сделать вольтметр из такой головки очень просто – достаточно поставить последовательно с ней подстроечный резистор номиналом 0,5 – 1 МОм. Теперь нужно подать напряжение, величина которого заранее известна и подстроечным резистором подстроить положение стрелки, соответствующее прикладываемому напряжению. Успешной сборки!

Блок питания необходимая вещь для каждого радиолюбителя, потому, что для питания электронных самоделок нужен регулируемый источник питания со стабилизированным выходным напряжением от 1.2 до 30 вольт и силой тока до 10А, а также встроенной защитой от короткого замыкания. Схема изображенная на этом рисунке построена из минимального количества доступных и недорогих деталей.

Схема регулируемого блока питания на стабилизаторе LM317 с защитой от КЗ

Микросхема LM317 является регулируемым стабилизатором напряжения со встроенной защитой от короткого замыкания. Стабилизатор напряжения LM317 рассчитан на ток не более 1.5А, поэтому в схему добавлен мощный транзистор MJE13009 способный пропускать через себя реально большой ток до 10А, если верить даташиту максимум 12А. При вращении ручки переменного резистора Р1 на 5К изменяется напряжения на выходе блока питания.

Так же имеется два шунтирующих резистора R1 и R2 сопротивлением 200 Ом, через них микросхема определяет напряжение на выходе и сравнивает с напряжением на входе. Резистор R3 на 10К разряжает конденсатор С1 после отключения блока питания. Схема питается напряжением от 12 до 35 вольт. Сила тока будет зависеть от мощности трансформатора или импульсного источника питания.

А эту схему я нарисовал по просьбе начинающих радиолюбителей, которые собирают схемы навесным монтажом.

Схема регулируемого блока питания с защитой от КЗ на LM317

Сборку желательно выполнять на печатной плате, так будет красиво и аккуратно.

Печатная плата регулируемого блока питания на регуляторе напряжения LM317

Печатная плата сделана под импортные транзисторы, поэтому если надо поставить советский, транзистор придется развернуть и соединить проводами. Транзистор MJE13009 можно заменить на MJE13007 из советских КТ805, КТ808, КТ819 и другие транзисторы структуры n-p-n, все зависит от тока, который вам нужен. Силовые дорожки печатной платы желательно усилить припоем или тонкой медной проволокой. Стабилизатор напряжения LM317 и транзистор надо установить на радиатор с достаточной для охлаждения площадью, хороший вариант это, конечно радиатор от компьютерного процессора.

Желательно прикрутить туда и диодный мост. Не забудьте изолировать LM317 от радиатора пластиковой шайбой и тепло проводящей прокладкой, иначе произойдет большой бум. Диодный мост можно ставить практически любой на ток не менее 10А. Лично я поставил GBJ2510 на 25А с двойным запасом по мощности, будет в два раза холоднее и надёжнее.

А теперь самое интересное… Испытания блока питания на прочность.

Регулятор напряжения я подключил к источнику питания с напряжением 32 вольта и выходным током 10А. Без нагрузки падение напряжения на выходе регулятора всего 3В. Потом подключил две последовательно соединенные галогеновые лампы H4 55 Вт 12В, нити ламп соединил вместе для создания максимальной нагрузки в итоге получилось 220 Вт. Напряжение просело на 7В, номинальное напряжение источника питания было 32В. Сила тока потребляемая четырьмя нитями галогеновых ламп составила 9А.

Радиатор начал быстро нагреваться, через 5 минут температура поднялась до 65С°. Поэтому при снятии больших нагрузок рекомендую поставить вентилятор. Подключить его можно по этой схеме. Диодный мост и конденсатор можно не ставить, а подключить стабилизатор напряжения L7812CV напрямую к конденсатору С1 регулируемого блока питания.

Схема подключения вентилятора к блоку питания

Что будет с блоком питания при коротком замыкании?

При коротком замыкании напряжение на выходе регулятора снижается до 1 вольта, а сила тока равна силе тока источника питания в моем случае 10А. В таком состоянии при хорошем охлаждении блок может находится длительное время, после устранения короткого замыкания напряжение автоматически восстанавливается до заданного переменным резистором Р1 предела. Во время 10 минутных испытаний в режиме короткого замыкания ни одна деталь блока питания не пострадала.

Радиодетали для сборки регулируемого блока питания на LM317

Стабилизатор напряжения LM317
Диодный мост GBJ2501, 2502, 2504, 2506, 2508, 2510 и другие аналогичные рассчитанные на ток не менее 10А
Конденсатор С1 4700mf 50V
Резисторы R1, R2 200 Ом, R3 10K все резисторы мощностью 0.25 Вт
Переменный резистор Р1 5К
Транзистор MJE13007, MJE13009, КТ805, КТ808, КТ819 и другие структуры n-p-n

Друзья, желаю вам удачи и хорошего настроения! До встречи в новых статьях!

Рекомендую посмотреть видеоролик о том, как сделать регулируемый блок питания своими руками

В итоге мой вариант регулирует напряжение от 0 до 25В и может ограничивать максимальный ток на уровне от 0,01А до 5,6А. Для окончательной настройки схемы нужно установить максимальное напряжение резистором R13 и подобрать резисторы R14 и R16 для макс. и мин. тока соответственно.

Управление обмотками трансформатора

Бывают такие случаи,что нужно подключить к ЛБП какую-то низковольтную нагрузку, но с довольно большим током, например 5В при токе 5А. Тогда получается, что на силовых транзисторах будет падать несколько десятков вольт. К примеру после диодного моста и конденсатора в фильтре у нас 30В, а на выходе ЛБП всего 5В, значит на транзисторе будет падать 25В, и это при токе в 5А, получается, что бедный транзистор как-то должен превратить 125Вт просто в тепло. Одному мощному транзистору это не под силу, просто напросто произойдет тепловой пробой и он выйдет из строя, да и двум тяжко будет. На этой случай придумана схема, которая переключает обмотки трансформатора в зависимости от выходного напряжения ЛБП. К примеру, если нужно 5В, то зачем подавать на ЛБП 30В?

Ниже изображена схема переключения обмоток:

Охлаждение

В качестве радиаторов были собраны экспериментальные варианты из алюминиевых карнизов для штор, профили прикручиваются винтами к алюминиевой пластине ( признаюсь, хотелось бы потолще) и естественно промазываются термопастой. Эффективность таких радиаторов довольна неплохая. В верхней крышке корпуса есть отверстия для охлаждения.

Ампервольтметры

В качестве измерителя напряжения и тока была использована довольно известная схема на специализированной м\с ICL7107. Я собирал по этой схеме:

Отдельное питание

Для питания индикации и микросхем LM324 в ЛБП используется отдельный трансформатор и стабилизаторы +5В и +12В.

О корпусе

Основой для корпуса стал кусок стеклотекстолита, толщиной около 6-7 мм. На нем все и собиралось, далее были прикручены передняя панель со всеми органами управления и индикацией и задняя с вентиляторами и сетевым разьемом. И сверху П–образная крышка, обклеенная синей самоклейкой.

Трансформаторы я использовал ТН 60. У них довольно мощные обмотки по 6,3В. Ток до 7А. По весу данный аппарат получился около 10кг.

Диодные мосты серии КВРС, 35-амперные, также посаженые на общий радиатор с силовыми транзисторами.

Лаборатория радиолюбителя.
Собираем лабораторный блок питания.
Часть 3.

В третьей части занятия мы с вами проверим работоспособность собранной радиолюбительской схемы – лабораторного блока питания и соберем простой корпус для нашей конструкции.

Проверяем исправность сетевого трансформатора, для чего к сетевой обмотке припаиваем шнур питания (сетевая обмотка обычно намотана самым тонким по диаметру проводом и имеет самое большое сопротивление обмотки – измеряется тестером) и измеряем переменное напряжение на вторичных обмотках трансформатора:

Как видите мой трансформатор исправен и выдает на вторичной обмотке без нагрузки переменное напряжение в 22 вольта.

Теперь проверяем работоспособность нашей схемы – сначала положительный канал, затем – отрицательный. Для этого припаиваем переменные сопротивления и подаем переменное напряжение с трансформатора в соответствии со схемой, замеряем минимальное и максимальное напряжения на выходах схемы и его изменение при повороте ручки сопротивления:

Как видите у меня блок питания выдает максимальное положительное напряжение без нагрузки в 26,8 вольта.

Особо хочется на данном этапе остановиться и поговорить о том, как мы будем контролировать выходные напряжения. Как я уже говорил раннее, для измерения выходного напряжения можно использовать измерительные головки двух типов – аналоговые (со стрелкой) или цифровые (с выводом на дисплей). В магазинах цена этих измерительных головок не сильно отличается у разных типов. Если использовать аналоговые головки с диапазоном измеряемого напряжения хотя бы на 30 вольт и не очень большого размера то возникает трудность в точном определении выходного напряжения. Я рекомендую вам использовать цифровые встраиваемые вольтметры:

Как видите, я использовал цифровые вольтметры постоянного тока с LCD дисплеем. В магазинах такие модули конечно дороговаты, но их цена резко уменьшается если заказать их через интернет на сайте производителя таких модулей. Характеристики этих вольтметров и где их можно приобрести я расскажу на форуме в соответствующей теме.

Приступаем к окончательной сборки устройства и корпуса к блоку питания. Для изготовления корпуса я использовал то, что у меня оказалось под рукой – оргстекло. Определяемся с размерами корпуса. Делать корпус маленьким, впритык, не совсем целесообразно. Корпус блока питания должен быть достаточно просторным и хорошо вентилироваться. Не исключено, что в дальнейшем вы захотите модернизировать эту конструкцию, как-то улучшить, и тогда вам не придется заниматься изготовлением нового корпуса. Ниже на картинках, с краткими комментариями, я покажу как можно быстро собрать корпус для вашей конструкции. А качество его изготовления, внешняя привлекательность целиком зависит от ваших “очумелых ручек”:

Далее, определяемся как и где у нас будут находится на передней панели приборы управления (переменные резисторы), экраны вольтметров, тумблер включения питания, выходные разъемы, светодиод индикации включения питания, примерно так (все зависит от вашей фантазии и удобством пользования):

Затем, на листе миллиметровой бумаги или обычной в клетку, более точно определяемся с расположением деталей и размерами отверстий под них:

Затем, накладываем этот лист бумаги на заготовку передней панели, и мелким сверлом делаем отверстия в центрах крепления наших деталей, а в прямоугольниках отверстия делаем по всем углам и после этого маркером переносим все размеры отверстий на оргстекло:

Далее, используя весь подручный инструмент, терпение и огромное желание пройти этот самый сложный этап, высверливаем и вырезаем все отверстия на панели. Вначале будет не очень красиво (можно сказать – отвратительно), но все это поправимо:

Но проявляя настойчивость и изобретательство, постепенно доводим панель до ума. И вот уже не так противно смотреть:

Как видите, вид уже более привлекательный, но все равно не совсем еще выравнены края и прямоугольные отверстия, отлично получились только круглые отверстия. Но все это устранится в ходе дальнейшей сборки корпуса. Далее начинаем собирать корпус. Для соединения стенок между собой я использовал маленькие мебельные уголки и подходящие винты с гайками:

Винты я использовал двух типов: те, что справа – для крепления боковых стенок к основанию, а те что сверху (большим диаметром) – для крепления верхней крышки, предварительно нарезав метчиком соответствующую резьбу в уголках для этих болтов:

Да, забыл о главном, прежде чем собирать корпус необходимо прикинуть как вы расположите плату и трансформатор на основании, заранее просверлить отверстия для их крепления (я крепил плату на два болта а трансформатор просто приклел клеем “Момент” к основанию). Также надо не забыть насверлить отверстий в основании платы и верхней крышки для обеспечения циркуляции воздуха внутри корпуса:

Собираем полностью корпус, естественно кроме верхней крышки:

Затем устанавливаем все внутренности, разъемы, переменные резисторы, цифровые вольтметры. Кроме того, к сожалению я сразу упустил этот момент, необходимо поставить (или на задней стенке, или на лицевой панели) держатель сетевого предохранителя с предохранителем. При этом сетевое напряжение мы подключаем так: один провод напрямую на трансформатор, а второй провод через держатель предохранителя и выключатель питания на второй вывод сетевой обмотки трансформатора. Наличие предохранителя в линии сетевого питания обязательное условие надежной и безопасной работы блока питания. Номинал предохранителя можно выбрать на 0.25 А, или вы можете его рассчитать самостоятельно (вспоминаем предварительные занятия).

Вот примерно такие внутренности в корпусе блока питания могут получиться и у вас. А вот так может получиться передняя панель:

Вид пока еще не очень привлекательный, а все потому, что лицевая панель пока существует в черновом варианте, так сказать, еще не облагорожена. А как ее облагородить и сделать внешний вид передней панели не хуже чем у заводских изделий я вам расскажу и покажу в разделе “Технологии” – “Описание программ”, где на примере нашего блока питания и программы для редактирования передних панелей Front Designer, мы рассмотрим разработку передних панелей радиолюбительских устройств.

И еще немного о корпусе устройства. После того как вы собрали каркас корпуса я рекомендую пройтись по всем местам соединения заготовок эпоксидным клеем (кроме верхней крышки). Это позволит усилить конструкцию, избежать в дальнейшей эксплуатации ненужных скрипов, скрыть неровности, а после высыхания клея шлифовкой выравнять все углы и неровности. Затем всю конструкцию (вместе с верхней крышкой) необходимо обезжирить и покрасить в любой понравившийся вам цвет. Краску для этого можно использовать автомобильную в баллончиках.

Если у вас есть вопросы, какие-то моменты вам не понятны, или вы хотите изучить или понять какой-то вопрос поглубже, то я жду вас на форуме в соответствующем разделе.

А вот такой у меня получилась передняя панель, после получасовой работы в программе Front Designer: