Для тех, кто занимается сборкой электронных схем, крайне важно иметь универсальный источник питания, который может регулировать выходное напряжение в широких пределах, контролировать ток и отключать подключённое устройство при необходимости. В магазинах такие лабораторные блоки питания продаются по довольно высокой цене, однако их можно изготовить самостоятельно, используя распространённые радиодетали.
Этот блок питания оснащён следующими функциями:
- - Возможность регулировки напряжения до 24 вольт;
- - Максимальный ток, который он может подавать на нагрузку, составляет 5 ампер;
- - Защита от перегрузки по току с несколькими фиксированными настройками;
- - Активное охлаждение, необходимое для работы при высоких токах;
- - Стрелочные индикаторы для отображения тока и напряжения.
Схема регулятора напряжения
Самый простой и доступный способ регулировки напряжения – использование специальной микросхемы, известной как стабилизатор напряжения. Лучшим выбором является LM338, которая обеспечивает максимальный ток в 5 А и минимальные пульсации на выходе. Также можно использовать LM350 и LM317, однако их максимальный ток составляет 3 А и 1,5 А соответственно.
Для настройки напряжения используется переменный резистор, номинал которого зависит от требуемого максимального выходного напряжения. Например, если нужно получить 24 вольта, потребуется переменный резистор с сопротивлением 4,3 кОм. Для этого можно взять стандартный потенциометр на 4,7 кОм и соединить его параллельно с постоянным резистором на 47 кОм, что даст общее сопротивление примерно 4,3 кОм.
Для питания схемы необходим источник постоянного тока с напряжением от 24 до 35 вольт. В моём случае это обычный трансформатор со встроенным выпрямителем. Также подойдут зарядные устройства для ноутбуков или другие импульсные источники, соответствующие по току.
Этот регулятор напряжения является линейным, что означает, что вся разница между входным и выходным напряжением проходит через одну микросхему и выделяется в виде тепла. При высоких токах это становится критичным, поэтому микросхема должна быть установлена на мощный радиатор, например, от процессора компьютера, который лучше использовать в паре с вентилятором. Чтобы вентилятор включался только при нагреве радиатора, необходимо собрать простой датчик температуры.
Схема управления вентилятором
Устройство работает на основе NTC термистора, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры: при повышении температуры сопротивление значительно снижается, и наоборот. Операционный усилитель выполняет функцию компаратора, отслеживая изменения сопротивления термистора. Когда сопротивление достигает порогового значения, на выходе операционного усилителя возникает напряжение, которое открывает транзистор и активирует вентилятор, одновременно с этим зажигая светодиод. Подстроечный резистор позволяет регулировать порог срабатывания, и его номинал следует выбирать с учётом сопротивления термистора при комнатной температуре. Например, если термистор имеет сопротивление 100 кОм, оптимальный номинал подстроечного резистора будет составлять примерно 150-200 кОм. Ключевое преимущество данной схемы заключается в наличии гистерезиса, то есть разницы между порогами включения и выключения вентилятора. Благодаря гистерезису вентилятор не включается и не выключается слишком часто при температуре, близкой к пороговому значению. Термистор устанавливается непосредственно на радиатор с помощью проводков и может быть размещён в любом удобном месте.
Схема защиты по току
Ключевым элементом блока питания является система защиты от перегрузки по току. Принцип её работы заключается в следующем: при снижении напряжения на шунте (сопротивление 0.1 Ом) оно усиливается до 7-9 вольт, а затем с помощью компаратора сравнивается с опорным значением. Опорное напряжение задаётся четырьмя подстроечными резисторами в диапазоне от 0 до 12 вольт. Вход операционного усилителя подключается к этим резисторам через галетный переключатель, который имеет четыре положения. Таким образом, переключая положение галетного переключателя, можно выбрать один из четырёх заранее установленных значений тока защиты. Например, можно выбрать 100 мА, 500 мА, 1.5 А или 3 А. В случае превышения установленного тока защита сработает, и напряжение на выходе прекратится, что будет сопровождаться загоранием светодиода. Чтобы сбросить защиту, достаточно кратковременно нажать на кнопку, после чего напряжение на выходе восстановится. Пятый подстроечный резистор используется для настройки коэффициента усиления (чувствительности). Его нужно отрегулировать так, чтобы при прохождении через шунт тока 1 А напряжение на выходе операционного усилителя составляло примерно 1-2 вольта. Резистор, отвечающий за гистерезис срабатывания защиты, обеспечивает «чёткость» её работы. Его настройка требуется, если напряжение на выходе не исчезает полностью. Эта схема отличается высокой скоростью срабатывания, мгновенно активируя защиту при превышении допустимого тока.
Блок индикации тока и напряжения
Многие лабораторные блоки питания оснащены цифровыми вольтметрами и амперметрами, которые отображают значения в виде числовых показателей на дисплее. Этот вариант отличается компактностью и высокой точностью измерений, но при этом не очень удобен для восприятия. В связи с этим для индикации было решено использовать стрелочные приборы, показания которых воспринимаются легче и приятнее. В случае с вольтметром всё просто: он подключается к выходным клеммам блока питания через подстроечный резистор с сопротивлением около 1-2 МОм. Для корректной работы амперметра необходим усилитель шунта, схема которого приведена ниже.
Подстроечный резистор играет ключевую роль в регулировке коэффициента усиления. Обычно его устанавливают в среднее положение, соответствующее примерно 20-25 кОм. Стрелочная головка соединяется через галетный переключатель, позволяющий выбрать один из трёх подстроечных резисторов. Эти резисторы определяют ток максимального отклонения амперметра. Благодаря этому, прибор может функционировать в трёх режимах: до 50 мА, до 500 мА и до 5 А. Это обеспечивает высокую точность измерений при любом уровне нагрузки.
Сборка платы блока питания
Плата печатная:
https://sdelaysam-svoimirukami.ru/4935-moschnyj-blok-pitanija-s-zaschitoj-po-toku.html[135.37 Kb] (cкачиваний: 1002)
Теперь, когда теоретическая часть завершена, можно перейти к сборке электронной части конструкции. Все компоненты блока питания, такие как регулятор напряжения, датчик температуры радиатора, защитный блок и усилитель шунта для амперметра, размещаются на одной плате размером 100х70 мм. Плата изготавливается методом ЛУТ, и ниже представлены фотографии, иллюстрирующие процесс её создания.
Для снижения сопротивления силовые дорожки, через которые проходит ток нагрузки, рекомендуется покрыть толстым слоем припоя. После этого на плату размещаются мелкие компоненты.
После этого нужно установить все остальные элементы. Микросхема 78L12, которая питает датчик температуры и кулер, должна быть размещена на небольшом радиаторе, место для которого предусмотрено на плате. В последнюю очередь к плате припаиваются провода, которые выводят вентилятор, термистор, кнопку сброса защиты, галетные переключатели, светодиоды, микросхему LM338, а также вход и выход напряжения. Вход напряжения рекомендуется подключить через DC разъём, обязательно учитывая, что он должен поддерживать большой ток. Все силовые кабели следует выбирать в соответствии с требуемым током, желательно использовать медные провода. Плюс выхода с платы направляется к выходным клеммам не напрямую, а через тумблер с двумя группами контактов. Вторая группа контактов при этом включает и выключает светодиод, который сигнализирует о подаче напряжения на клеммы.
Сборка корпуса
Корпус можно приобрести готовый или собрать самостоятельно. Я, например, сделал его из фанеры и ДВП. Сначала нужно вырезать прямоугольную переднюю панель, на которой будут размещены все элементы управления.
После этого создаются стенки и дно ящика, которые соединяются саморезами. Когда каркас готов, в него можно поместить всю электронную начинку.
На передней панели размещаются элементы управления, стрелочные индикаторы и светодиоды. Плата устанавливается внутри корпуса, а радиатор с вентилятором крепятся на задней панели. Для фиксации светодиодов применяются специальные держатели. Рекомендуется дублировать выходные клеммы, поскольку для этого достаточно места. Габариты корпуса составляют 290х200х120 мм, при этом внутри остаётся достаточно свободного пространства, что позволяет разместить, например, трансформатор для питания устройства.
Настройка
Настройка блока питания, несмотря на наличие множества подстроечных резисторов, является относительно простой процедурой. Сначала необходимо откалибровать вольтметр, подключив его к выходным клеммам с помощью внешнего источника. Вращая подстроечный резистор, который соединён последовательно со стрелочной головкой вольтметра, мы добиваемся, чтобы показания были одинаковыми.
Затем подключаем нагрузку с амперметром на выход и калибруем усилитель шунта. Вращая каждый из трёх подстроечных резисторов, мы добиваемся совпадения показаний на всех трёх диапазонах измерений амперметра — в моём случае это 50 мА, 500 мА и 5 А.
Далее устанавливаем необходимые токи защиты, используя четыре подстроечных резистора. Это не вызывает затруднений, так как штатный амперметр уже откалиброван и показывает точное значение тока. Постепенно повышаем напряжение (и, соответственно, ток) и определяем, при каком токе активируется защита. Затем, вращая каждый из резисторов, устанавливаем четыре необходимых значения тока защиты, между которыми можно переключаться с помощью галетного переключателя.
Наконец, остаётся установить нужный порог срабатывания датчика температуры радиатора — и настройка завершена.