Zasilacz warsztatowy 0-30V / 2mA-3A - zanim zadasz pytanie

1. Opis zasilacza w Języku Polskim

Ogólny opis działania
Prąd przemienny, uzyskany z uzwojenia wtórnego transformatora sieciowego jest prostowany przez mostek Gretza, który tworzą diody mocy: D1-D4, a następnie jest filtrowany przez pojemność kondensatora elektrolitycznego C1 tak, aby mógł być podany na układ zasilacza i zasilać stabilizator. Rezystor R1 przyspiesza rozładowanie kondensatora C1 do zera po wyłączeniu zasilacza.

Na resztę układu zasilacza składają się:

- źródło napięcia odniesienia (wzorzec napięcia w układzie)
- wzmacniacz napięciowy (odpowiedzialny za kontrolę napięcia na wyjściu zasilacza)
- czujnik prądowy (odpowiedzialny za kontrolę prądu wyjściowego zasilacza)

Źródło napięcia odniesienia.
Tworzą je elementy: U1, D8, R4, R5, R6
Źródłem napięcia odniesienia jest dioda Zenera 5,6V.
Wybór takiej diody nie jest przypadkowy - diody te mają największą stabilność napięcia Zenera w funkcji temperatury złącza. Ma to duże znaczenie dla poprawności działania zasilacza, bo dzięki temu napięcie na wyjściu nie będzie nam "pływać".
Po włączeniu zasilania napięcie na wyjściu wzmacniacza U1 będzie rosło, dopóki nie osiągnie wartości załączenia diody D8. Gdy to nastąpi układ się ustabilizuje - napięcie Zenera, panujące pomiędzy wyjściem U1 a jego wejściem odwracającym ("-") będzie obecne również pomiędzy jego wyjściem a wejściem nieodwracającym ("+"), czyli na rezystorze R5. Ponieważ wejścia wzmacniaczy TL081/071 są bardzo czułe (max 50pA), można przyjąć, że przez rezystory R5 i R6, płynie identyczny prąd, a ponieważ moją one takie same wartości, odkłada się na nich identyczne napięcie. Jako że włączone są pomiędzy wyjście U1 a masę, napięcie na wyjściu względem masy będzie prawie dokładnie dwukrotnością napięcia Zenera: 2*5,6V=11,2V - jest to wartość napięcia odniesienia w tym układzie. Rezystor R4 ogranicza prąd diody Zenera do wartości ok. 1,2mA:
(11,2V-5,6V)/4700Ohm≈1,19mA
Prąd ten praktycznie nie zależy od napięcia wejściowego.

Napięcie odniesienia podawane jest na skrajne wyprowadzenia potencjometru P1 (punkty 5 i 10), który pracuje tu jako regulowany dzielnik napięcia - oznacza to, że przy pomocy ślizgacza (punkt 12) będziemy mogli płynnie wybrać dowolną wartość od 0V do pełnego napięcia odniesienia i podać ją na wejście wzmacniacza napięciowego.

Wzmacniacz napięcia odniesienia.
Zbudowany jest na układzie U2, który pracuje jako wzmacniacz nieodwracający o stałym współczynniku wzmocnienia równym ok.3 - zgodnie z zależnością A=R11+R12/R11, czyli A=(27k+56k)/27k=3
We wzorze oczywiście pominięto opór R15 oraz spadki napięcia na złączach BE tranzystorów: sterującego Q2 oraz wykonawczego Q4.
Oznacza to, że jeżeli na wejściu nieodwracającym U2 ustawimy maksymalne napięcie 11,2V, na wyjściu otrzymamy ponad 30V. Potencjometr montażowy RV1 służy do kompensacji napięcia niezrównoważenia wzmacniacza U2 - umożliwia ustawienie zera na wyjściu zasilacza przy minimalnym ustawieniu potencjometru P1. Warto zauważyć, że wyregulowanie zera jest bardzo ważne, gdyż umożliwia zadziałanie ogranicznika prądowego na bardzo niskie wartości prądu wyjściowego (kilka mA).

Ogranicznik prądowy.
Umożliwia ustawienie maksymalnej wartości prądu, jaką będziemy mogli pobierać z zasilacza. Jest to funkcja bardzo przydatna przy uruchamianiu układów, gdyż często pozwala uniknąć uszkodzenia układu mimo błędów w montażu, zwarć, itp. Zasilacz jest więc też regulowanym źródłem prądowym o podatności 30V, co oznacza, że pełen zakres regulacji prądu 0,002A-3A będziemy mogli osiągnąć na obciążeniu o rezystancji tylko ok. 10Ohm i warto o tym pamiętać przy testach zasilacza na sztucznym obciążeniu.
Układ, który odpowiada za prąd wyjściowy to wzmacniacz U3. Na jego wejście nieodwracające ("+") podawana jest część napięcia odniesienia, tak ograniczona przez rezystory R17 i R18, że na ślizgaczu potencjometru P2 (punkt 13), a co za tym idzie, wejściu nieodwracającym wzmacniacza możliwe jest uzyskanie napięć od nieco ponad 0V do ok. 1,7V (kręcenie potencjometrem).
Zaś na wejście odwracające ("-") wzmacniacza U3 podawane jest napięcie z szeregowego rezystora mocy (R7). Napięcie to jest wprost proporcjonalne do prądu wyjściowego i dlatego rezystor ten służy do pomiaru prądu (przy 3A na oporności 0,47Ohm odłoży się niemal 1,5V). Dopóki napięcie w punkcie 13 jest większe niż napięcie na R7 - w punkcie 4 (zasilacz nie przeciążony, zadana wartość ograniczenia prądowego nieprzekroczona), napięcie na wyjściu wzmacniacza ma wartość nieujemną, dioda D9 jest spolaryzowana zaporowo i napięcie wyjściowe jest stabilizowane na poziomie równym napięciu w punkcie 12 pomnożonemu przez współczynnik wzmocnienia sekcji napięciowej U2. Gdy pobór prądu na wyjściu zwiększy się ponad zadane ograniczenie, napięcie na R7 (i na wejściu odwracającym wzmacniacza) wzrośnie i potencjał wyjścia wzmacniacza przyjmie znak ujemny: uruchomiony zostanie tranzystor Q3 i zaświeci się dioda LED (D12) ;dioda D9 zostanie spolaryzowana w kierunku przewodzenia i napięcie na wejściu wzmacniacza napięciowego U2 zostanie zmniejszone, a co za tym idzie, napięcie na wyjściu zasilacza obniży się do takiej wartości, jaka wynika z nastawy ogranicznika prądowego i oporności obciążenia (I=U/R). Warto wspomnieć, że rezystor szeregowy R7 mimo występujących na nim spadków, nie pogarsza stabilizacji napięcia, gdyż umieszczony jest poza pętlą sprzężenia zwrotnego wzmacniacza napięciowego.

Wszystkie kondensatory poza C1 widoczne na schemacie służą blokowaniu wzbudzeń i zapewniają stabilność pracy układu.
Wzmacniacze U1 i U3, w celu zapewnienia odpowiednich poziomów napięć wejściowych i wyjściowych zasilane są napięciem ujemnym względem masy (-5,6V) z prostej wytwornicy napięcia zbudowanej z elementów R2, C2, R3, C3, D5, D6, D7. Kondensator elektrolityczny C3 ma więc swój "+" na masie i jest to jak najbardziej poprawne połączenie. Przy wyłączaniu zasilania napięcie -5,6V zanika szybciej niż napięcie na C1, poza tym, tak jak wszystko, układ generujący napięcie ujemne może zawieść również w trakcie normalnej pracy. Aby zapobiec niekontrolowanemu w takim przypadku działaniu zasilacza (problemy z regulacją napięcia i działaniem ograniczenia prądowego), zastosowano prosty układ zabezpieczający złożony z tranzystora Q1 i rezystorów R13/R14, tworzących dzielnik, w który włączona jest jego baza. Gdy napięcie ujemne jest obecne, tranzystor jest zatkany. Gdy jednak napięcie to podniesie się do zera, tranzystor włączy się, zwierając wyjście wzmacniacza napięciowego U2 do masy i sprowadzając napięcie wyjściowe zasilacza do zera. Warto przy tym zaznaczyć, że układ U2 nie ulegnie uszkodzeniu w przypadku zwarcia jego wyjścia do masy, gdyż zawiera w swojej strukturze odpowiednie zabezpieczenia. Tak więc po wyłączeniu nieobciążonego zasilacza nie musimy długo czekać na rozładowanie kondensatora C1 - dzieje się to niemal natychmiast za sprawą tranzystora(ów) mocy.

2. Dobór elementów

Dobór elementów
Ogółem w zasilaczu stosujemy większość oryginalnych elementów, wyjątkami są:

Rezystor [R7]
Należy go zmienić na moc przynajmniej 10W - dla prądu 3A
Można również zmienić jego wartość na 0,27R, 10W - wtedy będzie dostosowany do prądu 5A.

Rezystor R18
Warto w jego miejsce wlutować peerka (potencjometr montażowy) o rezystancji 100kOhm, możemy nim wtedy ustawiać górny próg zadziałania ograniczenia prądowego.

Tranzystor [Q2]
Z oryginalnego 2N2219 zastosowanego w projekcie, lepiej zastosować BD139-16 (z radiatorem), który jest o wiele łatwiej dostępny.

Tranzystor [Q4]
Tutaj zalecam łączenie 2 sztuk równolegle, jeżeli zamierzamy pobierać z zasilacza prąd 3-5A.
Tranzystory jakie możemy zastosować to między innymi:
-KD502
-TIP35c
-BD249C

łącząc je równolegle należy wstawić rezystor o mocy 5W w emiter każdego tranzystora, oto warunki (pozwoliłem sobie zacytować wypowiedź z pewnego wątku znajdującego się aktualnie w koszu):

joozwa wrote:

remix1 wrote:

Należy wstawić rezystory 0,1R w emitery

Jeżeli tranzystory będą z jednej serii i w dodatku (czy przede wszystkim) na wspólnym radiatorze, to taki zabieg może być wystarczający (przy pełnym obciążeniu zasilacza mierzymy na obu rezystorach napięcia miliwoltomierzem - powinny być identyczne).
Jeżeli tranzystory będą się różnić (a ten efekt może potęgować umieszczenie na osobnych radiatorach), wtedy czeka Cię dobieranie wartości co najmniej jednego z tych rezystorów tak, aby wartości napięć przy maksymalnej mocy strat się zrównały, lub (bardziej prawdopodobne) stosunek tych napięć był wprost proporcjonalny do stosunku ich rezystancji.
Pozdrawiam

Kondensator C1
Jest zależny od prądu jaki chcemy pobierać z zasilacza, jego wartośc powinna wynosić 1000-2000 uF na 1A pobieranego prądu.

Diody prostownicze [D1-D4]
Najlepiej je wymienić na 25A mostek prostowniczy, można również założyć na niego radiator.

Wzmacniacze operacyjne [U1,U2,U3] *opcjonalnie
Jeżeli nasz transformator ma napisane 24V, najprawdopodobniej jałowo ma więcej, często zdarza się że oryginalne wzmacniacze nie wytrzymują, dlatego na początku zalecam zakupienie ua741.

Dzięki tym zmianom z zasilacza w miarę bezpiecznie będziemy mogli pobierać prąd rzędu 3 a nawet 5 amper.

Zabezpieczenie zasilacza - czyli przygotowanie go do bezpiecznej pracy.


Bezpieczniki.
Stosujemy je po stronie pierwotnej transformatora, oraz opcjonalnie na jego wyjściu (zalecam). Ważne aby stosować bezpieczniki zwłoczne.

Zabezpieczenie termiczne.
Na radiatorze należy umieścić wyłącznik bimetaliczny bądź wyłącznik termiczny, odpowiednio zabezpieczony. Na ile stopni musicie odpowiedzieć sobie sami, dla mnie jest to 85 stopni, dla innego 60., ważne aby wyłącznik znajdował się możliwie blisko tranzystorów.

Regulacja termiczna.
Gdy zastosujemy wentylatory ważne jest aby wykonać jakiś prosty regulator obrotów, do współpracy doskonale nadaje się ten układ, według mnie powinien zaczynać swoje działanie około 40 stopni na radiatorze, wówczas maksymalne obroty wentylatorów osiągnie przy 80 stopniach.

tranzystory mocy, chłodzenie - o BHP słów kilka.
Radiatory zalecam umieścić na zewnątrz zasilacza (oszczędność miejsca w środku), koniecznie na dystansach z przekładkami nieprzewodzącymi ciepła, zapobiegnie to nagrzaniu plastiku i swobodnemu opadnięciu radiatora, wielkość radiatora zależy od parametrów zasilacza, aczkolwiek im więcej tym lepiej.
Jeżeli zdecydujecie się na radiator na zewnątrz warto założyć przynajmniej podkładki mikowe, na kolektorze tranzystorów (który jest połączony z ich obudową) jest pełne napięcie zasilania, dlatego po założeniu ich bez podkładek na radiatorze pojawia się również na nim pełne napięcie zasilania, kiedy będziemy mieć spocone lub mokre ręce będzie nas kopać


Współpraca zasilacza z multimetrem.

Omówię tutaj połączenie zasilacza z Tym multimetrem
Ostatnio zauważyłem że niektórzy mają z tym problemy, więc postaram się to jasno pokazać na rysunku, myślę że tyle wystarczy.



Czynności końcowe, porady
Zasilanie prowadzimy przewodem przynajmniej 1,5mm^2, wyjście do tranzystorów również, można również pogrubić ścieżki, pokazane na rysunku.

3. Konstrukcja mechaniczna zasilacza

Tutaj postaram się dać wskazówki jak należy budować swój zasilacz.

Radiator.
Mocujemy go na podkładkach dystansowych, jest to element mocno grzejący się, jego bezpośrednie przymocowanie do plastikowej obudowy spowoduje jej nagrzanie i w efekcie swobodne odpadnięcie radiatora, na zdjęciu zastosowano w dodatku podkładki) z jakiegoś mało przewodzącego materiału.


Przewody i mocowanie.
Tutaj również ważna kwestia, w miejsce wszystkich otworów do multimetru bądź potencjometrów lutujemy goldpiny, do nich później możemy założyć jakieś gniazdo z przewodem, lub dolutować przewód i założyć na niego rurkę termokurczliwą, wygląda to w miarę estetycznie oraz utrudnia uszkodzenie.


Na miejsce wyprowadzenia tranzystora [Q4] możemy wlutować złącze ARK, lub dokładnie pobielony przewód, na zdjęciu pokazany jest niezabielony oraz zabielony przewód, niezabielony zaczął pękać, kilka ruchów i odpadnie.
Z zabielonym nic się nie stanie (w granicach rozsądku) .

Przewód nieprawidłowy


Przewód prawidłowy.


Mocowanie modułów wewnątrz obudowy.

Wszystkie moduły mocujemy sztywno, na tulejkach dystansowych, są tanie, po przytwierdzeniu ich do dna obudowy nie wystają nakrętki (jak dobrze dokręcimy to łepek śrubki też nie), dzięki takiemu montażowi możemy mocować moduły poziomowo bez obawy o zwarcie się jakiegoś elementu jednego modułu z ścieżkami następnego.


podkładki.
Pod [U1-U3] mocujemy podkładki, w razie ich uszkodzenia jesteśmy w stanie je szybko wymienić, bez zbędnego lutowania/rozlutowywania.


Elementy grzejne.
Na elementy mocno grzejące się zakładamy radiatory, w szczególności mam tu ma myśli [Q2].


Opaski zaciskowe.
Zwane też zipami, służą do związywania ze sobą przewodów, dzięki czemu nie ma jednego wielkiego "pajęka", co zapewnia dużo większą przejrzystość, w dodatku dzięki nim możemy odsuwać przedmioty od elementów silnie nagrzewających się, mogących spowodować uszkodzenie izolacji.


Zabezpieczenie płytek, ułatwienie lutowania
Do ułatwienia lutowania oraz zabezpieczenia ścieżek gotowego modułu przed utlenianiem używamy roztworu kalafonii w denaturacie, spirytusie technicznym lub rozpuszczalniku nitro.
Roztworem tym malujemy całą płytkę i pozostawiamy do wyschnięcia, po wysuszeniu warstwa ta powinna się błyszczeć, wyglądać jak lakier.


Zakończenie.
Na rozmieszczenie modułów w obudowie nie ma gotowej recepty, trzeba używać zdrowego rozsądku. należy pamiętać aby elementy silnie nagrzewające się były umieszczone na radiatorach blisko otworów wentylacyjnych, nie zakrywamy żeber radiatorów innymi modułami, najlepiej aby żebra radiatorów były pionowo, gdy umieszczamy radiator w środku musimy postawić go na jakimś izolującym ciepło materiale, aby nie wypalił dziury w plastiku (możemy zrobić sześciany z laminatu na wzór tulejek dystansowych, powinno to załatwić sprawę).