Zasilacz laboratoryjny 0-30V 2mA-3A

Często zajmując się elektroniką do np. testowania obwodów niezbędne jest posiadanie zasilacza prądu stałego, czyli źródła energii elektrycznej. Prototypy projektów z diodami LED, wyświetlaczami, układami wykonawczymi, a także sterowniki z mikrokontrolerami potrzebują dobrego, stabilnego napięcia oraz wymagają określonej wydajności prądowej. Projektując różne układy potrzebowałem zasilania DC w zakresie od 0-30V i prądzie do 3 amperów. Moim wyborem był zasilacz opublikowany na stronie electronics-lab.com . Jest to konstrukcja ciesząca się dużą popularnością wśród elektroników-hobbystów. W tym artykule opiszę zasadę działania oraz podstawowe funkcje projektu.

Charakterystyka zasilacza (specyfikacja techniczna)

Zasilacz ten jest w pełni analogową konstrukcją o regulowanym napięciu wyjściowym od 0 do nieco ponad 30V. Natomiast  prąd jaki możemy pobrać wynosi od 2mA do nawet 3 amperów, a co najważniejsze może być regulowany w tym zakresie przez użytkownika. Konstrukcja w oryginalnej wersji powinna być zasilana z transformatora napięciem przemiennym  nie większym niż 24V. Wykorzystanie trafo o mniejszym napięciu będzie skutkowało mniejszym potencjałem na wyjściu DC. Do jednej z zalet można zaliczyć wysoką stabilność napięcia na wyjściu niezależną od obciążenia rzędu nawet 0.01%. Prostota oraz przyzwoite „osiągi” to nie jest szczyt możliwości tej konstrukcji. Najbardziej pożądaną funkcją jest ochrona przed zwarciem, przeciążeniem obwodu. Upraszczając jest to w pewnym sensie automatyczny bezpiecznik. Stan aktywacji obwodu zabezpieczenia jest wskazane wizualnie świecącą diodą LED.

Zasada działania 

Dostarczający odpowiednie napięcie oraz prąd transformator powinien być sprawny gdyż od jego jakości będzie zależało napięcie na wyjściu. Napięcie wejściowe AC (WE-1,WE-2) jest wyprostowane na diodach prostowniczych (D1-D4)  tworzących mostek Graetza po czym trafia na kondensator C1 i rezystor R1 tworzących filtr.
Istotą zasilacza jest wykorzystanie wzmacniacza oraz diody Zenera zapewniających napięcie odniesienia niezbędnego do prawidłowego działania. Uzyskane jest ono na wzmacniaczu U1 oraz diodzie D8. Rozwiązanie to jest alternatywą dla stosowania pętli sprzężenia zwrotnego. Napięcie odniesienia generowane w następujący sposób:
Dioda D8 typu Zenera w normalnych warunkach środowiskowych jest uruchomiona przy napięciu 5,6V. W ten sposób wraz ze wzrostem potencjału na wyjściu stabilizuje napięcie na rezystorze R5. Napięcie na wyjściu U1 jest dwukrotnie większe od napięcia odniesienia (11,2V) bo rezystory R5 i R6 mają taką samą wartość napięcie w szeregu będzie dwukrotnie większe. Układ scalony U2 jest skonfigurowany tak aby napięcie ze wzmacniacza U1 było 3 razy większe zgodnie ze wzorem A= (R11+R12) / R11. W ten sposób otrzymujemy Uwy­ ­= 33V. Trymer RV1 wraz z rezystorem umożliwia skalibrowanie obwodu do wartości równej 0V ze względu na ograniczoną dokładność elementów obwodu (tolerancję). Taki sposób regulacji zapewnia dużą stabilność układu dzięki zastosowaniu diody Zenera.

Obwód ograniczający prąd w obwodzie

Automatyczne ograniczenie natężenia prądu jest największą zaletą tego prostego zasilacza. Zrealizowane jest ono poprzez obniżenie napięcia wyjściowego po wykryciu przepływu zbyt dużego prądu np. spowodowanego zwarciem.
Spójrzmy na wzmacniacze U3 oraz U2 na schemacie. Na wejściu nieodwracającym wzmacniacza U2 napięcie jest uzależnione od stanu wyjścia wzmacniacza U3. U tego ostatniego wejście odwracające sprawdza spadek napięcia na rezystorze R7. Upraszczając monitoruje przepływ prądu w obwodzie. Natomiast wejście nieodwracające może być ustawione na dowolne napięcie za pomocą P2. Potencjometr ten służy do regulacji natężenia prądu w obwodzie, a konkretnie progu zadziałania ograniczenia prądowego. Wyjście wzmacniacza U3 jest połączone z wejściem nieodwracającym U2 poprzez diodę D9. W ten sposób wyjście U2 kontroluje sterowanie tranzystorem przełącznikowym Q2 sterującym końcówką mocy Q4, a więc napięciem na wyjściu. W ten sposób uzyskujemy pętle sprzężenia zwrotnego kontrolującą maksymalny prąd w obwodzie odbiornika. Konfiguracja ta daje możliwość regulacji do bardzo niskiej wartości rzędu nawet 2 mA. Rezystor R7 ma małą wartość rezystancji i podłączony jest na szynie ujemnej zasilacza mianowicie leży po za obwodem sterowania napięciem i nie ma wpływu na stabilność układu. Kondensator C8 o wartości 330 pF zwiększa stabilność regulacji natomiast tranzystor Q3 typu PNP spolaryzowany rezystorami R19, R20  steruje diodą  LED sygnalizując uruchomienie ogranicznika przeciążenia. Zapalenie diody oznacza nadmiar natężenia prądu jaki może „puścić” zasilacz, a zatem napięcie na wyjściu zostaje obniżone.

Ujemna szyna zasilająca

Aby wzmacniacz U2 odpowiedzialny za napięcie wyjściowe mógł wygenerować potencjał równy dokładnemu 0V konieczne jest zapewnienie ujemnej szyny zasilającej. Elementy R3 wraz z diodą Zenera D7 tworzą stabilną „pompę” ujemnego napięcia wokół kondensatorów C1 oraz C2. Jej potencjał wynosi -5.6V, czyli napięciu przebicia diody D7. Do szyny tej również doprowadzone są wyprowadzenia GND wzmacniaczy operacyjnych U2 oraz U3, gdyż są one odpowiedzialne za regulację prądu oraz napięcia. Scalak U1 pracuje w stałych warunkach, więc jest zasilony z nieregulowanej dodatniej szyny i masy. Dokładne napięcie 0V na wyjściu zasilacza jest możliwe dzięki uruchomieniu tranzystora BC548 (Q1). W normalnych warunkach jest on nieaktywny co jest skutkiem obecności rezystora R14. Kiedy jednak zostanie spolaryzowany to wymusza na stopniu wyjściowym U2 stan niski poprzez zwarcie do GND. Wzmacniacz ma wewnętrzne zabezpieczenie, więc stan ten nie powoduje jego trwałego uszkodzenia. Rozwiązanie zapewnia również natychmiastowe przejście do 0V, co jest spotykane w wielu zasilaczach poprzez rozładowywanie dużych kondensatorów filtrujących za pomocą rezystora R1 do masy. Jest to duża zaleta podczas testowania różnych układów zewnętrznych.

Elementy tworzące dany zasilacz

Opisywany projekt jest wersją analogową, a więc dominują rezystory, kondensatory oraz tranzystory sterowane przez wzmacniacze operacyjne. Napięcie z transformatora trafia na diody prostownicze. Ja wykorzystałem komponenty 4 * 1N5402. Napięcie tętniące wygładza filtr utworzony z rezystora R1= 2,2k oraz kondensatora C1 3300uF. Warto zastosować w konstrukcji zasadę, że pojemność C1 musi wynosić minimum 1000 uF na każdy 1A. Nie będę wydłużał artykułu opisującej typ każdego elementu schematu, gdyż znajduje się pełna lista na stronie autora konstrukcji. Mimo to opiszę kilka podstawowych elementów odpowiedzialnych za ważne funkcje zasilacza laboratoryjnego. Scalak U1 ustala napięcie odniesienia U2, a ten z kolei napięcie wyjściowe do układu sterującego. U3 poprzez badanie spadku napięcia na R7 oraz ustawieniu potencjometru P2 kontroluje stan obciążenia zasilacza. RV1 wraz z kondensatorem pozwalają na ustawienie dokładnego 0V na wyjściu spowodowanej niedokładnościami elementów zasilacza. Wszystkie kondensatory prócz C1 poprawiają stabilność pracy zasilacza.  Ważną częścią układu jest tranzystor Q2 polaryzujący tranzystor wykonawczy Q4 (7C, 8B, 9B wyprowadzenia na zewnątrz PCB ) przekazujący moc na wyjście. Pracuje on w trudnych warunkach, ponieważ musi sterować nim na wysokiej częstotliwości w sposób określony przez U2 zapewniając odpowiedni prąd dla bazy tranzystora końcowego. Ten ostatni za to musi „udźwignąć” sporą dawkę prądu. Zaletą zastosowania tranzystorów jest szybkie odcięcie napięcia do poziomu 0V dzięki obecności Q1, który spolaryzowany jest z napięcia zasilania do ujemnej szyny z wytwornicy. Efektem jest szybkie odłączenie Q2, tak więc i Q4.

Moja konstrukcja

IMAG0250
IMAG0251
IMAG0266

Zasilacz początkowo skonstruowałem z oryginalnych elementów. Wykonałem PCB we własnym zakresie. Zasilacz po zlutowaniu ruszył bez żadnego problemu. Podczas pobierania prądu rzędu 1 amper zaczął nagrzewać się już dosyć tranzystor 2N3055 oddając ciepło na radiator. Po kilku zastosowaniach nastąpiła awaria tranzystora Q2 i po wymianie problem nadal występował. Skłoniło mnie to do dokonania przeróbek oryginalnej wersji. Do tego wpadłem na pomysł aby wykonać projekt do tej konstrukcji mianowicie układ chłodzenia z termistorem wraz z multimetrem mierzącym napięcie i prąd  na wyjściu zasilacza i wdrożyć go podczas modyfikacji. W sieci jest wiele postów opisujących nieprawidłowości tej konstrukcji i dużo awarii po uruchomieniu. Z własnego doświadczenia jednak polecam wykonać tą konstrukcję i dokonać niezbędnych zmian aby projekt funkcjonował jak należy. W następnym poradniku opiszę zmiany jakie dokonałem.

 

 

 

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *