При разработке электронных устройств неизбежно возникает вопрос о выборе источника питания. Предположим, вы собрали светодиодную мигалку и теперь ищете способ её запитать. В таких случаях часто прибегают к использованию зарядных устройств для мобильных телефонов, блоков питания компьютеров и сетевых адаптеров, которые не ограничивают ток, поступающий в нагрузку.
Если на плате светодиодной мигалки остались незамеченными две замкнутые дорожки, при подключении к мощному блоку питания от компьютера устройство может выйти из строя. Это может произойти из-за ошибки в монтаже. Чтобы избежать таких ситуаций, используются лабораторные блоки питания с защитой от перегрузки по току. Зная, какой ток будет потреблять устройство, можно предотвратить короткое замыкание и повреждение транзисторов и 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
В схеме используется микросхема LM324 с четырьмя операционными усилителями, которые можно заменить на TL074. Усилитель ОР1 отвечает за управление выходным напряжением, а ОР2, ОР3 и ОР4 контролируют ток, потребляемый нагрузкой. Микросхема TL431 генерирует опорное напряжение около 10,7 вольт, которое остаётся неизменным независимо от входного напряжения.
Переменный резистор R4 регулирует выходное напряжение, а R5 позволяет настроить диапазон изменения напряжения в соответствии с требованиями. Защита от перегрузки по току работает следующим образом: когда нагрузка потребляет ток, он проходит через низкоомный резистор R20 (шунт). Величина падения напряжения на шунте зависит от тока нагрузки.
Операционный усилитель ОР4 усиливает малое напряжение на шунте до уровня 5–6 вольт. Напряжение на выходе ОР4 изменяется от нуля до 5–6 вольт в зависимости от потребляемого тока. Компаратор ОР3 сравнивает напряжения на своих входах. Напряжение на одном из входов задаётся переменным резистором R13, который определяет порог срабатывания защиты, а напряжение на втором входе зависит от тока нагрузки.
Когда ток превышает установленный порог, на выходе ОР3 появляется напряжение, открывающее транзистор VT3. Транзистор VT3, в свою очередь, закрывает транзистор VT2, который управляет силовым транзистором VT1, размыкая цепь питания нагрузки. Все эти процессы происходят за доли секунды.
Резистор R20 рекомендуется выбирать мощностью около 5 ватт, чтобы предотвратить его перегрев при длительной работе. Подстроечный резистор R19 определяет чувствительность защиты по току: чем больше его номинал, тем выше чувствительность. Резистор R16 используется для настройки гистерезиса защиты. Оптимальным сопротивлением для этого резистора является 5–10 кОм, что обеспечивает чёткое срабатывание защиты. При увеличении сопротивления выше этого значения защита будет работать как ограничитель тока, и напряжение на выходе будет падать не полностью.
В качестве силового транзистора можно использовать отечественные модели КТ818, КТ837, КТ825 или импортный TIP42. Важно уделить внимание охлаждению транзистора, так как разница между входным и выходным напряжением будет рассеиваться в виде тепла. Не рекомендуется использовать блок питания с малым выходным напряжением и большим током, так как это приведёт к максимальному нагреву транзистора.
Изготовление печатной платы и сборка
Печатная плата выполняется методом ЛУТ, который неоднократно описывался в интернете.
На печатной плате установлены светодиод и резистор, которые отсутствуют в схеме. Для светодиода рекомендуется использовать резистор с номиналом 1-2 кОм. Светодиод активируется при срабатывании защиты. Два контакта с обозначением «Jamper» позволяют снять защиту и «отщёлкнуть» блок питания при их замыкании. Между первым и вторым выводами микросхемы установлен конденсатор ёмкостью 100 пФ, который защищает от помех и обеспечивает стабильное функционирование схемы.
Скачать плату:
https://sdelaysam-svoimirukami.ru/4261-laboratornyy-blok-pitaniya.html
Настройка блока питания
После сборки схемы приступаем к её настройке. Вначале подаём питание 15–30 вольт и измеряем напряжение на катоде микросхемы TL431. Оно должно быть около 10,7 вольт. Если входное напряжение блока питания невелико (15–20 вольт), уменьшаем резистор R3 до 1 кОм. При корректном опорном напряжении проверяем работу регулятора напряжения: при вращении переменного резистора R4 напряжение должно изменяться от нуля до максимума.
Затем вращаем резистор R13. В крайнем положении возможно срабатывание защиты, так как резистор R13 подтягивает вход ОР2 к земле. Для устранения этой проблемы можно установить резистор 50–100 Ом между землёй и крайним выводом R13, который подключается к земле.
Подключаем нагрузку к блоку питания и устанавливаем R13 в крайнее положение. Повышаем выходное напряжение, наблюдая за ростом тока. В определённый момент сработает защита. Подбираем нужную чувствительность с помощью подстроечного резистора R19, после чего заменяем его постоянным резистором.
На этом сборка лабораторного блока питания завершена. Можно установить его в корпус и использовать.
Индикация
Для отображения выходного напряжения часто применяют стрелочные индикаторы. Хотя цифровые вольтметры способны фиксировать напряжение с точностью до сотых долей вольта, непрерывно меняющиеся цифры могут быть неудобны для восприятия человеческим глазом. В связи с этим стрелочные индикаторы остаются более предпочтительным выбором. Создание вольтметра на основе стрелочной головки не требует сложных манипуляций – достаточно подключить к ней подстроечный резистор с сопротивлением 0,5 – 1 МОм. Затем необходимо подать напряжение известной величины и с помощью подстроечного резистора настроить положение стрелки, соответствующее этому напряжению. Удачи в сборке!