Niniejszy mini-projekt nowego bloku PZS-3 jest bardzo prostym i, dla większości osób, zupełnie zbytecznym rozwiązaniem poprawiającym niezawodność oryginalnego bloku PZS-2 stosowanego w odbiornikach serii OR-510x.
Główne cechy nowego bloku PZS-3:
* uproszczona konstrukcja
* minimalny dryft termiczny
* mniejsze tętnienia napięć wyjściowych
* zwiększona niezawodność
* wysoka precyzja regulacji napięć wyjściowych
* zgodność z rozwiązaniami elektrycznymi i mechanicznymi odbiornika
Motywacją do powstania nowego bloku PZS-3 była awaria szyny +18V w posiadanym przeze mnie odbiorniku, wynikająca z przebicia podkładki mikowej i doziemienia kolektora tranzystora T1201 oryginalnego bloku PZS-2. Z mojej wieloletniej praktyki serwisu tych urządzeń wynika że awarie tego typu są dosyć częste w tym urządzeniu, a ich skuteczne wyeliminowanie wymaga wymiany oryginalnych tranzystorów produkcji NPCP CEMI na elementy tego samego typu wykonane w obudowie izolowanej TO-126 np. produkcji Fairchild/OnSemi. Dodatkową kwestią która cechowała oryginalny moduł PZS-2 był silny dryft termiczny tego bloku, dochodzący do 0,03V/1°C.
Rozwiązanie oryginalnego bloku PZS-2
Oryginalny blok zasilacza PZS-2 zbudowany jest z pojedynczego mostka Graetza D1201-1204 produkującego napięcie 53V dla stabilizatora 40V, oraz półmostkowego prostownika pełnookresowego wykorzystującego dwie diody D1201 i D1202 tego samego mostka do produkcji napięcia 26V dla stabilizatora 18V. We wczesnych wersjach tego bloku stosowano dwa niezależne źródła napięcia odniesienia dla obu szyn napięć napięć wyjściowych. W okolicy 1979 roku wprowadzono uproszenie polegające na użyciu tylko jednego źródła napięcia odniesienia sterującego oboma stabilizatorami. W ostatnich wersjach tego bloku (lata 80 XX wieku) zrezygnowano także z użycia diody D1206 stosowanej jako element termicznej kompensacji źródła napięcia referencyjnego. Resztę układu stanowi typowy regulator liniowy, z prostym zabezpieczeniem przeciążeniowym, oraz dodatkowymi elementami filtrującymi i odsprzęgającymi. Maksymalną wydajność prądową bloku PZS-2 ograniczają parametry graniczne tranzystorów T1206 i T1201, które dla tych elementów produkowanych przez NPCP CEMI wynoszą zaledwie Ic=500mA.
Rozważania na temat nowego bloku PZS-3
Rozpatrując budowę nowego i poprawionego bloku PZS chciałem użyć monolitycznych stabilizatorów liniowych. Nie chciałem używać żadnych przetwornic DC-DC, gdyż ich użycie wprawdzie zmniejszyło by znacząco straty mocy, ale jednocześnie zwiększyło poziom generowanych zakłóceń wewnątrz odbiornika, co mogłoby wpłynąć na pogorszenie stosunku S/N całego urządzenia. Oczywiście, eliminacja zakłóceń przetwornicy DC typu buck jest możliwa, ale wiązałoby się z rozbudowaniem układu, a także koniecznością wprowadzenia ekranowania tego bloku. Początkowo rozważałem użycie mojego ulubionego regulatora liniowego L200 ze względu na jego dobre parametry i elastyczność w konfiguracji wbudowanego zabezpieczenia nadprądowego, niestety nie jest on już produkowany do wielu lat przez żadnego znanego wytwórcę, pomijając mało znane półprzewodnikowe manufaktury zza wielkiego muru. L200 nie był też nigdy produkowany w obudowie izolowanej, dodatkowo wymagałby aż pięciu przewodów przyłączeniowych koniecznych do montażu układu w oryginalnym miejscu przewidzianym pierwotnie dla tranzystorów T1201 i 1206. Ostatecznie akceptowalnym kompromisem okazały się stare i nadal popularne układy LM317, które oferowane są w wersji izolowanej produkowanej przez europejskie konsorcjum STMicroelectronics pod oznaczeniem LM317P.
Nowy blok PZS-3
W konstrukcji nowego bloku użyłem dwóch scalonych regulatorów LM317P w ich typowej aplikacji, uzupełnionej o elementy zabezpieczające oraz ograniczające tętnienia.
Gałąź napięcia 18V nie wymagała żadnych większych rozważań gdyż warunki pracy zastosowanego tam układu mieściły się w zakresie dopuszczalnych parametrów zalecanych przez producenta. Inaczej ma się sprawa w gałęzi 40V. Według noty aplikacyjnej regulator LM317 może pracować w zakresie napięć wyjściowych 1,2-37V oraz różnicy napięć Vin-Vout do 40V max. W tym miejscu można się zastanowić nad użyciem odmiany “wysokonapięciowej” LM317HV, ale jest to układ ciężko dostępny, sporo droższy i niestety nie występujący w obudowie izolowanej. Rozważmy jednak użycie typowego układu LM317 w tym miejscu układu. W normalnych warunkach pracy różnica napięć Vin-Vout wyniesie 13V (realnie nieco więcej ze względu na obecną wyższą normę napięcia sieci zasilającej). Układ LM317 nie jest jednak w żadnym miejscu podłączony do masy, więc “wisi” on niejako na potencjale linii 53V. Co prawda w aplikacji mamy dzielnik oporowy połączony z masą, ale na wyprowadzeniu sterującym ADJ utrzymuje się jedynie napięcie Vout-Vref, czyli w praktyce ~38V, tym samym w takim układzie warunki graniczne pracy regulatora nigdy nie zostaną przekroczone. Zastanówmy się jednak co się stanie w przypadku zwarcia linii 40V do masy. W takiej sytuacji wyprowadzenie Vout przyjmie potencjał GND, wewnętrzny układ zabezpieczenia prądowego ograniczy prąd do około 1,5A, ale różnica napięć Vin-Vout przekroczy 40V, powodując uszkodzenie układu. Taki sam scenariusz można domniemywać gdy nastąpi całkowita utrata pojemności głównego kondensatora filtrującego gałęzi 53V. Wówczas przy włączaniu urządzenia napięcie w szczycie niefiltrowanego przebiegu gwałtownie przekroczy 50V, a prąd ładowania pobierany przez kondensatory na wyjściu układu ograniczy napięcie Vout do kilku woltów i tym samym chwilowe napięcie Vin-Vout przekroczy graniczne 40V, co także może doprowadzić do uszkodzenia układu. Najprostszym “obejściem” tego ograniczenia jest zastąpienie jednej z diod zwrotnych zabezpieczających układ regulatora zwykłą diodą zenera o napięciu przebicia w przybliżeniu dwukrotnie większym niż spodziewana różnica napięcia Vin-Vout. Takie zadanie realizuje właśnie dioda D2 bloku PZS-3. Na podstawie przeprowadzonych prób i pomiarów prototypu układu można oszacować że powinna to być dioda o mocy strat 1-2W np. ZY-24 firmy DioTec Semiconductor AG.
Jednym z wymogów stabilnej pracy regulatorów LM317 jest konieczność ich minimalnego obciążenia, co mogłoby nie mieć miejsca podczas np. prowadzenia nad urządzeniem prac serwisowych. W zaproponowanym układzie użyłem do stałego obciążenia regulatorów prądem 10mA dwóch diod świecących, pełniących jednocześnie funkcję kontrolek napięć zasilających. Zalecam użycie diod LED starego typu, najlepiej produkcji krajowej, o niskim Vdrp~1,6V i bardzo niskiej efektywności świetlnej takich jak CQP441, CQP431 lub miniaturowych CQP461, aby z odbiornika nie robić choinki.
Omówienia wymagają także dzielniki oporowe regulatorów napięcia. Aby zapewnić poprawną regulację napięcia rezystory R1-R2 i R5-R6 powinny być elementami o 1% dokładności wykonanymi w technice metalizacji, lub powinny być selekcjonowane z elementów o gorszej precyzji wykonania o minimalnym współczynniku TCR. Rezystor R2 o docelowej oporności 6500Ω został na projekcie PCB rozbity na dwa szeregowo połączone elementy R2A i R2B tak, aby w prosty sposób uzyskać docelową oporność stosując rezystory 4,7k i 1,8k z szeregu E24. Rezystor R6 o docelowej oporności 2670Ω najlepiej dobrać z kilkudziesięciu sztuk rezystorów 2,7k. Stosując się do tych zaleceń precyzja regulacji napięć wyjściowych nowego bloku PSZ-3 będzie kształtowała się na poziomie +/-1,5V na 25 obrotów helitrimu 3296W, z napięciem docelowym uzyskiwanym w okolicach połowy zakresu regulacyjnego.
Potencjometry R3 i R7 powinny cechować się także niskim współczynnikiem TCR wynoszącym 100ppm/stC lub mniejszym. Polecam użycie potencjometrów produkcji Bourns, Inc. USA, lub w ostateczności ich budżetowych odpowiedników sygnowanych marką “BOCHEN” produkowanych przez Chengdu Guosheng Technology Co., Ltd. Produkty innych marek, w tym większość sprzedawanych na Aliexpress, mogą zwiększyć dryft termiczny nowego bloku zasilacza.
lista elementów:
Ref ID Value Raster Comment
IC1 LM317P 2,54mm ST / TO220FP-ISO
IC2 LM317P 2,54mm ST / TO220FP-ISO
B1 DB102 5,08mm 1A/100V-DIP
D1 1N4002 10mm 1A/100V, DO41
D2 ZY24-DIO 10mm Zener 24V/2W, DO41
D3 1N4002 10mm 1A/100V, DO41
D4 1N4002 10mm 1A/100V, DO41
LED1 CQP441 2,5mm Tewa / ZWLE na sztywnym ażurze Vdrp=1,6V / If=20mA
LED2 CQP441 2,5mm Tewa / ZWLE na sztywnym ażurze Vdrp=1,6V / If=20mA
R1 R220 10mm 221 / 0,25W / selekcjonować +/- 1% !
R2 6k5 2x10mm złożyć z dwóch rezystorów np. 4,7k+1,8k, +/- 1% !
R3 R500 2,54mm BOURNS 3296W-501
R4 3k9 10mm 392 / 0,25W
R5 R220 10mm 221 / 0,25W / selekcjonować +/- 1% !
R6 2k67 10mm 2,7k – 272 / 0,25W / selekcjonować 2670ohm, +/- 1% !
R7 R500 2,54mm BOURNS 3296W-501
R8 1k6 10mm 162 / 0,25W
C1 100nf/100V 5mm MLCC
C2 100nf/100V 5mm MLCC
C3 2200uF/63V 7,5mm fi18mm
C4 100nf/100V 5mm MLCC
C5 10uF/50V 5mm fi5mm
C6 100nf/100V 5mm MLCC
C7 220uF/50V 5mm fi10mm
C8 2200uF/50V 7,5mm fi18mm
C9 100nf/50V 5mm MLCC
C10 10uF/50V 5mm fi5mm
C11 100nf/50V 5mm MLCC
C12 470uF/25V 5mm fi10mm
X1 STOCKO N7-1 5mm Vogt AG 1365.61 / 1,3mm x 7Projekt PCB
Projektując płytkę modułu PZS-3 zmniejszyłem jej pierwotny rozmiar aby, paradoksalnie, ułatwić montaż nowych stabilizatorów w obudowach TO-220FP w miejsce oryginalnych tranzystorów w obudowach TO-126. Montaż układów scalonych w sposób stosowany przy tranzystorach niestety nie był możliwy gdyż obudowy TO-220 są niemal dwukrotnie dłuższe, tym samym po przykręceniu stabilizatorów w tych samych miejscach, w ten sam sposób i poprzez technologiczne gwintowane otwory, układy scalone byłyby co prawda zamontowane ale też nie byłyby w stanie odprowadzać ciepła gdyż ich struktura wisiałaby w powietrzu. Alternatywą jest zamontowanie nowych układów scalonych wzdłużnie do metalowej szyny odprowadzającej ciepło, ale wiążę się to z przedłużeniem przewodów stabilizatorów. Z powodów jak wyżej nie było możliwe wlutowanie wyprowadzeń stabilizatorów w PCB jak było to zaprojektowane w oryginale. Mając to na względzie, a także znacznie prostszą budowę nowego bloku PZS-3 zdecydowałem się na zmniejszenie wymiarów bloku PZS-3 do 3/5 długości oryginalnego modułu. W zagospodarowany miejscu można pokusić się o alternatywne sposoby montażu układów scalonych:
- montaż IC na kątowniku aluminiowym 30x30x60mm
- montaż IC na płaskowniku aluminiowym 6x60x20
- montaż IC bezpośrednio na kadmowanej podstawie modułu zasilacza
W szczególności ostatnia metoda godna jest polecenia gdyż nie wymaga stosowania dodatkowych elementów mechanicznych, a jedyna ingerencja w konstrukcję odbiornika ogranicza się do nawiercenia dwóch otworów i nagwintowania ich gwintownikiem M3. Płytka pierwotnie została zaprojektowana jako jednostronna, jednak ostatecznie dodałem warstwę TOP ekranującego polygonu na potencjale GND. Dwie przelotki zastępujące w prototypowej wersji nowej PCB łączówkę można zalutować spoiwem, choć przy obecnej technice metalizacji otworów nie jest to konieczne. Załączam do pobrania projekt płytki dwustronnej w Gerberach , oraz jednostronnej w pdf dla termotransferu.
W przypadku płytki jednowarstwowej konieczne jest połączenie dwóch punktów srebrzanką, co zaznaczyłem czerwoną kreską na powyższym rysunku. Przy użyciu płytki jednowarstwowej bez metalizacji otworów nieco kłopotliwe będzie prawidłowe wlutowanie układów stabilizatorów, ale jest to do ogarnięcia
PODSUMOWANIE:
Gotowy moduł PZS-3 charakteryzuje się tętnieniami na poziomie ~800µV RMS dla szyny 40V, oraz ~90µV RMS dla szyny 18V, a także dryfem termicznym napięć na poziomie 0,0005V/1°C w zakresie temperatur 20-50°C. Próby zwarciowe i przeciążeniowe moduł przetrwał bez uszkodzeń, a eksploatacja prototypu nie przysporzyła jakichkolwiek problemów.
P.S. Przy okazji dziękuję administratorowi forum, Gulsonowi, za miły i użyteczny prezent który otrzymałem kilka m-c temu
Fajne? Ranking DIY
