Ювелирное обозрение

Существует очень много различных схем для переключения отводов вторичных обмоток трансформатора в лабораторных блоках питания, для уменьшения рассеиваемой мощности выходных транзисторов БП, и для повышения КПД блоков питания при небольших выходных напряжений.
Есть схемы "переключалок" и на реле, и электронные варианты на симисторах, типа такой, как на рисунке ниже.

Симисторы ко вторичной обмотке силового трансформатора подключаются у такого переключателя следующим (или подобным) образом.

У всех этих схем имеются какие то свои определённые недостатки.
Схемы не реле издают щелчки, да и контакты реле не вечны, особенно в режиме стабилизации (ограничения) тока.
В схеме на симисторах подобного недостатка нет, она работает достаточно стабильно, но . бывают такие моменты, когда вышибает симисторы, особенно с мощным трансформатором. То-ли один симистор не успевает закрыться, когда уже второй открылся, то-ли ещё какие либо причины, но факт остаётся фактом – симисторы иногда со свистом вышибает.
Все эти недостатки скорее всего из-за того, что происходит коммутация обмоток с прерыванием тока. Что бы избавиться от этих недостатков, нужно уйти от прерывания тока, то есть не прерывать ток в нагрузке, а добавлять или уменьшать входное напряжение на блок питания.

Ниже Вашему вниманию предлагается схема электронного переключателя вторичных обмоток трансформатора, выполненного на тиристорах и лишённого этих недостатков. Её например можно применить в лабораторном блоке питания с выходным напряжением 0-35 вольт. Сразу скажу, что эта идея не моя, а предложенная kotosob-ом с форума сайта "Паяльник", я лишь предлагаю свой вариант реализации данной идеи. Для данной схемы абсолютно все равно, в какой момент полупериода включаться тиристоры и в какое время напряжение на выпрямителе станет больше или меньше. В этой схеме тиристоры играют роль управляемых выпрямительных диодов, которые при их включении замещают и запирают выпрямительные диоды мостика, или открывшиеся тиристоры с меньшим выходным напряжением.
Количество ячеек выпрямителя можно уменьшить или увеличить, в зависимости от потребностей.

Схема электронного коммутатора вторичных обмоток.

Схема работает следующим образом;
Если выходное напряжение блока питания не превышает 7,5 вольт, то все стабилитроны (ZD1-ZD3) и соответственно тиристоры закрыты, и напряжение на диодный мост подаётся с первой части (II) вторичной обмотки силового трансформатора.
При повышении выходного напряжения блока питания выше 7,5 вольт – открывается стабилитрон ZD1 и естественно транзистор VT1. Нагрузкой транзистора является светодиод симисторного оптрона, который отпирает симистор оптрона, и тот в свою очередь тиристоры VS1, VS2.
Тиристоры начинают работать как выпрямительные диоды, а так, как их выходное напряжение превышает на 8 вольт (минус напряжение падения на тиристорах) выходное напряжение подаваемое на верхнее плечо диодного моста, последние просто запираются и выходное напряжение выпрямителя повышается.
При дальнейшем увеличении выходного напряжения блока питания – открываются следующие стабилитроны и соответственно тиристоры и увеличивается выходное напряжение, подаваемое на конденсаторы фильтра.
При уменьшении выходного напряжения блока питания – всё происходит в обратном порядке. Закрываются стабилитроны и соответственно сопутствующие им тиристоры, и напряжение подаваемое на конденсаторы фильтра – уменьшается.

Пороги переключений здесь выбраны при следующих выходных напряжениях блока питания – 7,5; 15; 22,5 вольт, и зависят от применяемых стабилитронов. Соответственно напряжения подаваемые на вход блока питания равны 8, 16, 24, 32 вольт (без учёта падания напряжение на элементах выпрямителя).

Схема рассчитана на применение в ней тиристоров.
В схеме можно применять любые тиристоры с необходимым выходным током и допустимым напряжением, и если их нет, то можно поставить и любые симисторы. При применении последних, резисторы R1-R6 нужно исключить. И если применять симисторы серии ВТА, то их необходимо выбирать с максимальным током – не менее чем в 2-3 раза превышающий выходной максимальный ток блока питания.

При применении симисторов, чтобы схема работала должным образом, необходимо соблюсти следующее; Симисторы включаются вместо тиристоров следующим образом – 2-й анод симистора по даташиту – на место анода тиристора по схеме, -1-й анод симистора по даташиту – на место катода тиристора по схеме.
Лучше всего применять тиристоры (и симисторы) в изолированных корпусах, что бы их можно было установить на общий радиатор.
Так же оптроны, транзисторы и диоды можно применять любые в зависимости от имеющихся в наличии.
Вторичная обмотка силового трансформатора содержит отводы (секции) на необходимое выходное напряжение и намотана проводом с сечением в соответствии с необходимым током нагрузки.
В описываемой схеме, все секции вторичной обмотки одинаковы и имеют выходное напряжение 8 вольт.
Вы вполне можете сами выбрать по своему усмотрению пороги переключений, количество секций (отводов) вторичной обмотки трансформатора и количество необходимых Вам каскадов (ячеек) выпрямителя.

Схема питается от дополнительного источника с выходным напряжением 5 вольт. Можно использовать дополнительный источник с выходным напряжением 5-24 вольт, но в этом случае необходимо будет подобрать резисторы в коллекторных цепях транзисторов так, что бы при открытии транзистора, ток через светодиод оптрона не превышал 10-15 мА.

Да, описанная схема обладает гистерезисом, так как стабилитроны здесь открываются плавно. Для простых БП это вполне приемлемо, а там, где необходим БП со стабилизацией тока и быстрых изменений напряжения на нагрузке, схему на стабилитронах лучше всего заменить схемой на компараторах и выставить гистерезис в пределах до 0,5 вольт.

JLCPCB — это крупнейшая фабрика PCB прототипов в Китае. Для более чем 600000 заказчиков по всему миру мы делаем свыше 15000 онлайн заказов на прототипы и малые партии печатных плат каждый день!

Anything in here will be replaced on browsers that support the canvas element

Коммутатор обмоток для лабораторного блока питания

Регулируемый источник питания является обязательным атрибутом на столе радиолюбителя, но из-за их немалой стоимости многие предпочитают сделать лабораторный блок питания своими руками.
Блоки питания бывают линейными и импульсными, основное преимущество импульсных схем – это их высокий КПД (>90%). Линейные схемы имеют низких КПД, но обеспечивают более чистое выходное напряжение, которые свойственны импульсным источникам питания.

Линейные источники питания лучше, но при конструировании таких источников питания большой мощности возникают проблемы с охлаждением силовых транзисторов.

В чем же заключается основная сложность?. Допустим мы собрали блок питания с регулировкой напряжения от нуля до 30 Вольт и ток от нуля до 5 Ампер. И если мы выставим на выходе малое напряжение и большой ток, например 3 Вольта и 5 Ампер, на выходе получим мощность около 9 Ватт, при этом на транзисторе будет падение напряжения как минимум 27 Вольт, с учетом тока в 5 ампер, получаем около 140 ватт мощности в виде бесполезного тепла, которое нужно отводить.

Есть два основных варианта решения этой проблемы:

1. Громадный радиатор с вентилятором для охлаждения силового транзистора;
2. Система переключения обмоток трансформатора.

Второй вариант наиболее предпочтителен, и позволит избавиться от массивных радиаторов и шумного вентилятора.

Принцип работы очень прост – при малых выходных напряжениях на вход также подается малое напряжение. Таким образом мощность рассеиваемая на транзисторе будет гораздо меньше, КПД увеличивается в разы.

Но для того, чтобы задействовать коммутатор, нужно иметь трансформатор с несколькими вторичными обмотками, желательно с полностью одинаковыми параметрами, например три обмотки по 12 Вольт.

Перед вами сейчас самая простая и безотказная схема релейного коммутатора.

Имеем пару стабилитронов на одинаковое напряжения и пару реле, которыми управляют маломощные транзисторы обратной проводимости. Точка "А" подключается к выходу лабораторного блока питания. Масса питания общая. Схема коммутатора питается от отдельной, маломощной обмотки.

Схема работает следующим образом, если напряжение на выходе лабораторного блока питание ниже 12 Вольт, стабилитрон закрыт. Если напряжение на выходе лабораторного блока питания больше 12 Вольт первый стабилитрон моментально откроется, сигнал поступит на базу первого транзистора, отпирая его, через открытый переход поступит питание на обмотку реле, как следствие – реле также сработает, коммутируя соответствующую обмотку. Теперь на вход стабилизатора поступает напряжение 24 Вольта.

При увеличении выходного напряжения блока питания до порогового значения, а это сумма напряжений обеих стабилитронов, точно таким же образом откроется второй стабилитрон, что приведёт к отпиранию второго транзистора и сработкет второго реле, и на вход стабилизатора поступит полное напряжение со всех трех последовательно соединенных обмоток трансформатора.

В этот момент первое реле тоже находится во включенном состоянии, но так как питание поступает по второму реле, на выходное напряжение это не влияет. Добавив в схему еще один транзистор со стабилитроном, в эти моменты можно отключать его.

Если напряжение на выходе источника питания больше значения суммы напряжений стабилизации стабилитронов откроется третий транзистор, шунтируя базу транзистора, который управляет первой реле на массу питания, тот закроется и отключит реле.

Стоит заметить, что через стабилитроны и переходы база эмиттер протекают ничтожно малые токи.

В схеме использованы реле с напряжением катушки 12 Вольт.

Диоды предназначены для защиты от пробоя управляющих транзисторов напряжением самоиндукции с обмоток реле во время их отключения.

Ток коммутации реле зависит от вашего блока питания, если конструируете лабораторный блок питания на 5 Ампер, реле желательно взять с двукратным запасом, например 10-12 Ампер.

Базовые ограничительные резисторы для транзисторов могут иметь сопротивление от 6,8 до 15 кОм. Сами транзисторы обратной проводимости, можно взять любые малой и средней мощности.

К недостаткам схемы можно отнести использование электромагнитного реле. Должен сказать, что во многих промышленных блоках питания применяется именно такое решение. Реле издают звук во время переключения, а контакты не вечные.

Есть системы, где переключающим элементом является симистор, но такие коммутаторы также не идеальны, часто возникают проблемы с управлением, а на самих симисторах будут потери, следовательно и нагрев, к тому же симисторные схемы довольно сложны.

Питать схему коммутации можно как от отдельной обмоткой, которая намотана на основном трансформаторе, так и от отдельного маломощного блока питания. Напряжение этого источника должно быть от 18 до 20 вольт, при токе в 200-300мА.

Содержание / Contents

↑ Как все начиналось

Вольтметр, потенциометр, выходные зажимы и переключатель режима индикации, плотно прижали этот «бутерброд» к корпусу без дополнительных болтиков. Результат см. рисунок 1.
После того как собрал переднюю панель начал думать о принципиальной схеме.

↑ Блок питания изнутри

На плате A4 (см. рисунок 9) установлены четыре параллельно соединенных LM317. LM-ки прикручены к алюминиевому основанию, которое далее через слюду к радиатору.

В сборе, конструкция выглядит следующим образом (см. рисунок 10)

↑ Схема электрическая принципиальная

При максимальном токе 3A через каждый чип протекает 0,75А. Общая рассеиваемая мощность делится на 4 корпуса и легче отдается радиатору за счет большей площади прикосновения. В моем случае разность температур через слюдяной изолятор составила 10 градусов. На мой взгляд, это очень даже не плохо.

↑ Защита нагрузки от перенапряжения

В классической схеме включения LM317 регулирующий резистор включается между входом ADJ и общим проводом. Обрыв резистора приводит к тому, что входное нестабилизированное напряжение попадает в нагрузку. В схеме регулировка выходного напряжения осуществляется посредствам потенциометра R29. C помощью транзистора T5 организована защита нагрузки от перенапряжения при обрыве ползунка потенциометра R29.

Рано или поздно обрыв происходит. При обрыве, транзистор T5 открывается через резистор R32 и на входе ADJ LM317 потенциал падает и как следствие на выходе стабилизатора тоже. Включение резистора R32 вносит небольшую нелинейность в регулировку напряжения с помощью R29. Поэтому его сопротивление должно быть как можно выше, но в связи с этим придется подобрать транзистор T5 с наиболее высоким коэффициентом усиления, иначе открытие транзистора может быть неполным.

Цепь регулировки выходного напряжения включена относительно отрицательного напряжения -5V. Это дает возможность регулировать выходное напряжение от 0V. Резистором R28 устанавливается минимальное выходное напряжение. Максимальное выходное напряжение можно подстроить резистором R9 на плате A2.

↑ Защита блока питания от перегрузки

На схеме электрической принципиальной две «земли» до датчика тока (шунта R8, R12) и после. За основную следует принимать землю справа, по схеме, от шунта, так как относительно нее подключены стабилизаторы напряжения DA2, DA3, и DA5-DA8 через отрицательное плечо -5V (DA2). Это позволяет не учитывать падение напряжения на шунте при стабилизации. То есть относительно стабилизатора DA5, шунт можно отнести к внутреннему сопротивлению источника напряжения.

Защита блока питания от перегрузки представляет собой токоограничение и организовано на компараторе OP2 (LM339) отличительной чертой которого является выход с открытым коллектором. На отрицательный вход подается опорное напряжение с делителя R19, R22 на положительный вход – напряжение с датчика тока на резисторах R8, R12.

Определяет величину токоограничения резистор R19, который можно также выносить на переднюю панель прибора (это может быть полезным), но я этого не сделал, так как сначала спроектировал корпус и только потом схему. При коротком замыкании, например, напряжение на положительном входе OP2 становится ниже чем на отрицательном и выходной транзистор компаратора OP2 начинает открываться, так же как и T5 начинает понижать потенциал на входе ADJ стабилизатора LM317.

За счет высокого коэффициента усиления компаратора токоограничение получается изумительное. За 10mА до планки ограничения стабилизация напряжения не нарушается. Например в проведенном мной эксперименте ток короткого замыкания 2,94А, при нагрузке 2,93А напряжение остается стабильным — при снятии нагрузки показания вольтметра не меняются.

↑ Коммутация обмоток трансформатора

Одним из недостатков линейных стабилизаторов является низкий КПД. Стабилизаторы греются и чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем больше нагрев и как следствие потеря мощности. Отчасти эту проблему можно решить путем снижения входного напряжения, когда это возможно. При выходном напряжении в 2 вольта нет смысла подавать на вход 30V.

Но не следует забывать про пульсации выпрямителя. При максимальном токе нижняя граница пульсации Umin должна быть приблизительно на 3 вольта выше (для LM317) чем желаемое выходное напряжение стабилизатора, иначе пульсации пройдут на выход стабилизатора. Контролировать это надо осциллографом, так как мультиметры показывают среднее значения пульсирующего напряжения, можно думать, что стабилизация по какой то причине не работает, а на самом деле на выходе будет небольшая пульсация.

На компараторах OP1, OP3, OP4 и реле K1, K2, K3 организована коммутация обмоток трансформатора. На положительные входы компараторов подается выходное напряжение блока питания через делители R20 и R21, R30 и R31, R38 и R39. На отрицательные входы опорные напряжения, которые определяют уровни срабатывания реле. Резисторы R15, R24, R34 вводят небольшой (0,1V) гистерезис в срабатывания компараторов, это обеспечивает четкое открытие транзисторов при одинаковых входных напряжениях компаратора.

Реле выбраны на 24V, контакты 16А, катушка реле потребляет 17mA. Поэтому для питания вполне достаточно однополупериодного выпрямителя на диоде D2 и конденсаторе С9. В качестве ключей реле решил взять низковольтные компьютерные мосфеты Q25SN03A -T1-T3, напряжение сток исток 30V. Обычно их можно снять с неисправной материнской платы в области питания процессора. За время разработки имел место быть пробой затвора, одного из ключей, после чего я установил стабилитроны D7, D8, D10 параллельно затворам транзисторов.

При отключении реле осциллограф зафиксировал всплеск на стоке под 40V, возможно через какие-то паразитные емкости пробило затвор. Но после установки стабилитронов полет нормальный. Кстати эти транзисторы, возможно, не самый лучший вариант для коммутации реле. При включении К2 нет смысла держать включенной реле К1, для этого транзистор T4 шунтирует затвор транзистора T3, реле К1 не включается, тем самым экономя драгоценных 17 мА.

Вообще для выходного напряжения 30V делать 3+1 входных напряжения вовсе не обязательно, я думаю хватило бы и два реле и три обмотки. Но три обмотки, при перемотке трансформатора намотать было проблематично, мотал проводом в 1,2 мм и в один слой ложилась одна обмотка в 7 Вольт , делать полтора слоя не решился, так как мог не вписаться в окно. Коммутация обмоток это дело личное, если радиатор позволяет, можно считать, что у блока питания есть дополнительная функция – обогрев квартиры, и КПД можно принять за 100%.: smile:

↑ Испытания

Из осциллограммы на рисунке 12 видно, что низкочастотных пульсаций не наблюдается. Небольшой высокочастотный шум проникает извне, не исчезает даже при выключенном блоке питания, если включить рядом стоящий компьютер, то шумы резко возрастают и появляются выбросы работы импульсника, но они ничтожны. Возможно надо было поставить фильтр перед трансформатором.

В качестве динамической нагрузки решил использовать свой старенький ноутбук ASUS Z99H. Питание 19V Потребление тока скачет в пределах 1 — 2 А. Для сравнения на рисунке 13 показан холостой ход без нагрузки 19V.

На рисунке 14 пульсации при работе ноутбука. Пульсации небольшие с частотой работы внутреннего импульсного блока питания ноутбука 100Кгц.

↑ Недостатки

Основной из выявленных мной недостатков моего блока питания является корпус, он маловат. При наличии большего пространства можно было бы объединить плату А2 и А3, при желании поставить внутрь небольшой вентилятор, так же в больший корпус влезет больший трансформатор при наличии. Мой трансформатор конечно слабоват, 3 А без пульсаций получилось только при 28,5V.

При 30V, пульсации пролазят на выход, мне как всегда пару витков не хватило, но даже если бы хватило все равно ничего хорошего не получилось, так как 90 Ватт это его максимальная мощность и при длительной эксплуатации он будет греться, воск, которым я пропитал транс чувствую, потечет.

Следующий недостаток — это измерительный прибор, мало того он не может одновременно показывать ток и напряжения, так он повлек за собой датчик тока относительно большого сопротивления, который при токе 3А немного нагревается, ситуацию усугубляет плохая вентиляция в корпусе. Как следствие нагрева — изменение сопротивления шунта и мой амперметр немножко начинает врать, но это для меня не критично.

Для тех кто решит повторить схему рекомендую не повторять мои ошибки, не жалеть резисторов на шунт. Трансформатор выбрать с запасом мощности, и использовать более современный вольтметр и амперметр, цифровой например. Перечисленные мною недостатки в принципе не относятся к схемному решению, поэтому я своей работой доволен.

↑ Файлы

Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.

—
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.

—
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

Здравствуй, читатель! Меня зовут Игорь, мне 45, я сибиряк и заядлый электронщик-любитель. Я придумал, создал и содержу этот замечательный сайт с 2006 года.
Уже более 10 лет наш журнал существует только на мои средства.

—
Спасибо за внимание!
Игорь Котов, главный редактор журнала «Датагор»

Спасибо за внимание!

Электроникой увлекся в старших классах школы.
Потом закончил Минский профтехнический колледж электроники.
Потом «БГУИР» — Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники. Инженер-электроник вот уже 11 лет.

Часто тянет что-нибудь изобрести.
Люблю программирование (Си, С++).