Konstrukce laboratorního zdroje 0 – 30V / 0

Ve zdroji je použit integrovaný obvod LM317T, který je ústředním členem regulačního obvodu. Tento obvod byl vybrán z důvodu jeho kvality regulace, ceny a parametrů. Tento stabilizátor má napěťový rozsah +1,2V až +37V a dovolené proudové zatížení 1,5A při toleranci výstupního napětí 4%. Z tohoto důvodu byl posílen výkonovým tranzistorem MJ4502 s parametry (90V, 30A, 200W, TO3 ), tento tranzistor je další široká cesta pro průchod proudu zdrojem. Pro nižší výkony vyhoví tranzistor BD250B ( 80V, 25A, 125W, SOT93 ).

U těchto tranzistorůje hlavní podmínkou pro průchod velkých proudu kvalitní chlazení, v tomto případě použití chladiče CHL37D/140 BLK, tento chladič má rozměry 120 x 37 x 140 a tepelný odpor R_th 1,3K/W. Chladič je doplněn o ventilátor typu CH80S-12M, který zajistí lepší odvod tepla . Ventilátorzajistí lepší cirkulaci vzduchu mezi žebry chladiče a tím pádem je ztrátový výkon vyzářený chladičem větší. Ventilátor je vhodné umístit alespoň 5mm nad úroveň žeber chladiče, aby docházelo ke správnému průtoku vzduchu mezi žebry. Ventilátor je vhodné umístit tak aby chladič byl vzduchem ofukován protože tím zamezíme tepelnému namáhání ventilátoru teplým vzduchem.

K připevnění polovodičovýchprvků použijeme šrouby, které dostatečně dotáhneme aby byl co nejlepší kontakt mezi chladičem a polovodičovým prvkem. Pro zlepšení tepelné vodivosti natřeme kontaktní plochy teplovodnou pastou na chladiče, nezapomeneme na slídovou podložku pod tranzistor. Na obr. 2 je nákres umístěníventilátoru na chladiči a znázornění toku vzduchu. (Zvolené uspořádání není optimální, protože protože boky chladiče nejsou ofukovány. Vhodnější by byl chladič tvaru U s několika žebry. - poznámka redakce)

Ve zdroji je použit také usměrňovací můstek typu KBPC2506F (600V, 25A, pouzdro KBPC) s vývody FASTON 6,3. Na tomto můstku vzniká také ztrátové teplo a tak je vhodné umístit tento můstek na chladič spolu s výkonovým tranzistorem. Pod diodový můstek můžeme dát také trochu teplovodné pasty pro snížení tepelného odporu. Na obr. 3 je nákres diodového můstkua tranzistoru.

Tranzistor a diodový můstek jsou připojeny k desce plošných spojů dostatečně silnými vodiči, které jsou zakončeny konektory typu FASTON 6,3. tyto vodiče by měli být alespoň takového průřezu, aby byly dimenzovány na proud 5A.

Z transformátoru vedeme napětí do desky plošných spojů na svorkovnici CKK5/2, následuje pojistka v pouzdře PP6 s hodnotou F15A, hodnota pojistky byla zvolena z důvodu nabíjeníelektrolytickýchfiltračních kondenzátorů tak vysoká, protože při zapnutí přístroje teče mnohonásobně vyšší proud než při normálním provozu. Pro zamezení velkých počátečních proudůlze vhodně využít zapojení termistoru do obvodu primárního vinutí. Termistor má při zapnutí velký odpor, který se při zvýšení teploty způsobené průchodem proudu zmenší na minimum a potom se už v obvodu neuplatní. Termistor by měl být dimenzován na proud procházející primárním vinutím transformátoru, vhodný typ je např. NTC 3,4A (40W, I_max 3,4A ). Stav pojistky F15A je signalizován LED (jestliže je v pořádku svítí LED a naopak je-li pojistka přerušená tak LED nesvítí ). Dále je vedeno napětí na diodový můstek KBPC2506F, který je umístěny na chladiči. Z můstku je vedeno usměrněné napětí na nabíjecí filtrační kondenzátory kde se toto napětí vyfiltruje. Hodnota kondenzátorů byla zvolena 10mF/50V, je možno použít také dva kondenzátory s kapacitou 4,7mF/50V. Za těmito kondenzátory se nachází druhá pojistkaPP6 F10A, která chrání zdroj proti přetížení při zkratu a proti zničení elektrolytických kondenzátorů. Obě pojistky jsou umístěny v pouzdru DP10 P, každá pojistka je doplněna o indikační LED, která informuje o přerušení pojistky. Pro funkci proudové pojistky potřebujeme zdroj záporného napětí pro operační zesilovač. Záporné napětí získáme za pomocí měniče, který je složen ze dvou kondenzátorů a dvou usměrňovacích diod, následuje stabilizátor se zenerovou diodou.

Dále se v obvodu nachází odpor s hodnotou 36W, kterým snímáme procházející proud do stabilizátoru. Při překročení hodnoty proudu danou hodnotou odporu vznikne na rezistoru úbytek napětí, který zajistí otevření tranzistoru MJ4502 a tím je umožněna další cesta pro průchod proudu. S hodnotou odporu 36W se tranzistor otevírá při průtoku 100 – 200mA. Díky tomuto zapojení není nutno stabilizátor LM317T umístit na chladič, protože na něm nevzniká téměř žádné ztrátové teplo. Za tranzistorem je umístěn výkonový rezistor s hodnotou 0,22W s výkonovým zatížením 7W. Tento rezistor slouží pro zjišťování výstupního proudu protékajícího do zátěže a také zde odebíráme informaci pro nasazení proudové pojistky a rovněž zde snímáme úbytek napětí, který pak vedeme přes trimr, který slouží pro kalibraci měřícího přístroje.

Tento laboratorní přístroj je vybaven proudovou pojistkou, která je tvořena operačním zesilovačem typu LM741. Operační zesilovač typu 741 je zcela běžný a pracuje v zapojení rozdílového zesilovač. Na jeho vstupy přichází dvě nepatrně se lišící napětí stejné polarity. První napětí přichází přímo ze stabilizátoru a druhé napětí přichází až za rezistorem 0,22W. Dá se říct, že jde o vyhodnocení úbytku napětí na rezistoru 0,22W. Tento úbytek napětí je přiveden na OZ kde je zesílen 10 – 100 krát (dáno nastavením potenciometrů ). Trimrem 47kW/PT10LV nastavíme při oživování zdroje hodnotu proudového omezení. Pro nastavení proudového omezení slouží potenciometr P2a a P2b. Byly zvoleny dva potenciometry, jeden pro hrubé nastavení (FINE) a druhý pro jemné nastavení (COARSE). Toto řešení bylo zvoleno z důvodu ceny 10 otáčkových potenciometrů. Pro indikaci nasazení proudové pojistky byla použita nízkopříkonová LED červené barvy připojená na výstup operačního zesilovače.

Výstupní napětí laboratorního zdroje se nastavuje za pomocí dvou potenciometrů P1a a P1b, jeden pro hrubé nastavení (FINE) a druhý pro jemné nastavení (COARSE ). U regulace napětí doporučuji ponechat dva potenciometry aby nastavení hodnoty napětí nebylo obtížné. U nastavení proudového omezení je možno vynechat potenciometr pro jemné nastavení, nastavení proudového omezení není tak kritické.

Na výstupu zdroje je antiparalerně dioda P600B, která slouží k ochraně před připojením napětí opačné polarity na výstup zdroje. Za touto diodou se nachází pojistka typu PP6 F6,3A, která se přepálí při připojení napětí opačné polarity. Výstupní napětí zdroje je vyvedeno na svorkovnici typu CKK5/2 a dále pak na panel přístroje kde jsou příslušné konektory. (Doporučujeme zvážit použití pojistek typu T (pomalé) na místě F (rychlé). Ty jsou právě určeny pro případy krátkodobého vyššího proudu jako je nabíjení kapacit a podobně. Jejich jmenovitý proud pak může odpovídat běžnému zatížení, protože při větším přetížení (zkrat) reagují stejně rychle - poznámka redakce)

Popis oživení laboratorního zdroje

Desku je nejprve nutno vizuálně zkontrolovat jestli neobsahuje chyby a zkraty mezi jednotlivými cestami plošného spoje. Po té je vhodné provést pocínování cest plošných spojů, kterými teče velký proud. Tím se zvětší průřez vodivé cesty a nedochází k takovému ohřívaní samotné desky plošných spojů vlivem průchodu značného proudu.

Je nutno opravdu důkladně prohlédnout desku plošných spojů, protože při zkratu by se mohly některé cesty dokonce i vypařit vlivem zkratového proudu, který by protékal. Po této prohlídce a pocínování některých částí desky se můžeme pustit do osazení desky součástkami. Začneme rezistory a nejmenšími díly zdroje a končíme elektrolytickými kondenzátory. Je dobré zkontrolovat po osazení desky zda jsou všechny součástky správně zapájeny a nevznikají na desce zkraty špatným pájením. Při špatné montáži by mohlo dojít k velkým škodám vlivem zkratových proudů. Po dokonalém očištění desky plošných spojů od kalafuny a jiných nečistot můžeme zdroj začít oživovat.

Všechny trimry vytočíme do střední polohy. Nyní můžeme zdroj zapnout. Na výstupu by se mělo objevit napětí. Nyní k výstupu připojíme výkonový rezistor, např. 35W/50W nebo jiný, jaký je k dispozici. Potenciometry P2a a P2b vytočíme do koncových poloh a trimrem Tr1 (47kW/PT10LV) nastavíme maximální výstupní proud na 5A. Po tomto nastavení se musí dát plynule regulovat proud tekoucí do zátěže. Odpojíme rezistor a vyzkoušíme zda se dá plynule regulovat napětí na výstupu od 1,2V – 30V, odchylky v maximálních a minimálních hodnotách jsou způsobeny vlastnostmi integrovaného obvodu LM317T. Tím je oživení a nastavení laboratorního zdroje u konce a je připraven k používání.

Varování!

Zdroj nezkoušíme bez umístění tranzistoru a můstku na chladiči, v případě připojení tranzistoru bez chladiče by došlo ke zničení tranzistoru vysokou teplotou. Proto je nutné dodržovat postup při konstrukci zdroje. Oživení zdroje provádíme až po kompletním sestavení, jinak může dojít ke zničení některého z dílů zdroje.

Konstrukce zdroje

Závěrečné testy zdroje

Tento zdroj je vhodné zkušebně zatížit a sledovat zda nepoklesne napětí na výstupu. Je-li tomu tak, tak je na vstupu malé napětí a nebo je transformátor malého výkonu a není schopen při velkém odběru proudu dodávat dostatečně velké napětí.

Dále je vhodné sledovat teplotu chladiče, na kterém je umístěn tranzistor a můstek. Jestliže se bude chladič příliš oteplovat a teplota přesáhne 75°C je nutné zaměnit chladič za větší z nižším teplotním odporem a doplnit o ventilátor. K tomuto případu by ovšem dojít nemělo neboť chladící poměr byl vypočítán. Nakonec zkontrolujeme zda na chladiči probíhá správná a dostatečná cirkulace vzduchu mezi žebry za pomocí ventilátoru. Ventilátor má dostatečný průtok vzduchu, přibližně 52m³/hod. Pokud je vše v pořádku není už potřeba věnovat pozornost tomuto chladiči a polovodičovým prvkům.

Pozn. Pod polovodičové prvky je vhodné umístit teplovodnou pastu, která sníží tepelný odpor mezi polovodičem a chladičem.

Mechanická konstrukce přístroje

Skříňka pro tento laboratorní zdroj by byla vhodná celá z kovu, např. hliníku, ale není vyloučeno použití plastové krabice, která se dá zakoupit a není tak drahá jako kovová.

Nejdůležitějším požadavkem je pečlivé a správné uchycení jednotlivých konstrukčních dílů v krabici. Největší pečlivost věnujeme uchycení transformátoru, u toroidního transformátoru se zalitým středem to nebude problém ale u transformátoru EI se musí transformátor uchytit za pomocí uhelníčků. Z dalšími díly nejsou problémy, jen dáváme pozor při použití kovové krabice, aby se deska plošných spojů nezkratovala o dno krabice. Je dobré věnovat také pozornost uchycení chladiče, tento prvek se dost hřeje, takže by měl být ve vzduchu a v žádném případě ne naležato jinak by docházelo ke špatné cirkulaci vzduchu. U kovové krabice je doporučeno aby se připojila na vodič PE. Tím je zajištěna ochrana proti nebezpečnému dotyku. Pro potřebu je na čelní panel vyvedena svorka označena GND, která je spojena s kostrou přístroje PE.

Krabice a uspořádání konstrukčních dílu v krabici záleží na každém konstruktérovy zvlášť.

V mém případě je použita skříň typu DESKTOP od počítače. Tato přístrojová krabice je naprosto vyhovující. Po obou stranách jsou větrací mřížky (otvory) a tudíž dochází k vlastní, velmi dobré cirkulaci vzduchu.

Síťová část zdroje

Tato část není umístěna na jedné společné desce plošných spojů z důvodu bezpečnosti a ochrany před síťovým napětím. Síťové napětí je přivedeno přes konektor na zadním panelu do dvoupólového vypínače s kontrolní doutnavkou. Z vypínače do desky plošných spojů. Následuje pojistka doplněná o indikátory stavu pojistky. Zelená LED informuje o zapnutém zdroji a zároveň o stavu pojistky (pojistka v pořádku). Pokud dojde k přerušení pojistky zhasne zelená LED a rozsvítí se červená LED. Dále je síťové napětí vyvedeno na svorkovnici typu ARK500/2SV a odtud vedeno do síťového transformátoru. V případě častého kolísání síťového napětí (napěťové špičky), lze zařadit paralelně k výstupu síťové části varistor (na DPS je místo) typu V250LA40 (250V, 6500A, 1000pF),je možno i jiný na napětí 250V. V případě VF rušení a jiného (např. vrtačka), lze paralelně k výstupu zařadit kondenzátor na síťové napětí 100nF/250V~.

Napájecí zdroj pro ventilátor a měřící modul

Jelikož je použit ve zdroji ventilátor pro lepší chlazení a odvod tepla z chladiče, tak je potřeba pro tento ventilátor napájecí napětí 12V při odběru 130mA. Dále je z tohoto zdroje napájen měřící modul, který vyžaduje nezávislé napájení vůči hlavnímu transformátoru. Měřící modul vyžaduje U_{_nap} 8V až 10V, I_nap 1,6mA.

Pro tento zdroj je napětí odebíráno z druhého transformátoru s parametry 2x16V / 2x1,3A, (tento transformátor není potřeba z takovými parametry, ale vyhoví i malý transformátor, který alespoň dodá 12V při proudu 200mA). Za transformátorem následuje klasický zdroj s diodovým můstkem a stabilizátorem.

Je důležité doplnit hlavně zdroj pro měřící modul na výstupu o LED, která zajistí,aby alespoň protékal minimální proud stabilizátorem a docházelo ke stabilizaci.

Lze použít jeden zdroj společný pro ventilátor a měřící modul, a nebo použít dva nezávislé zdroje. Dalo by se uvažovat i o regulaci otáček ventilátoru podle teploty chladiče, ale tato část by příliš prodražovala výrobek a navíc větší průtok vzduchu při nižší teplotě není na škodu. Napájecí zdroj je umístěn na desce plošných spojů laboratorního zdroje. Napětí pro ventilátor a měřící modul je vyvedeno na svorkovnice ARK500/2SV.

Měřící přístroj (Voltmetr, Ampérmetr)

Před realizací doporučujeme zvážit k jakému účelu budeme měření využívat. Většinou totiž potřebujeme jen rychlou informaci o velikosti proudu a hlavně o jeho změnách. V takovém případě je však digitální displej problikávající třikrát za vteřinu zcela napoužitelný. Daleko lepší je ručkový analogový přístroj který zvládá tyto informace naprosto dokonale. Samozřejmě pro přesné měření musíme použít samostatný přístroj.

Tato jediná konstrukční část se dá nahradit za jinou a to variantu s LCD nebo LED. Tento konstrukční díl se dá zakoupit také jako hotový modul nebo ve formě stavebnice. Rozhodně se jedná o část do které se nemůže pustit každý, neboť je potřeba dobré pájení a znalost práce s obvody CMOS. Ve verzi s LCD je použit integrovaný obvod 7106 a ve verzi s LED obvod 7107. Není nutné použít dva měřící přístroje, ale stačí jeden měřící přístroj a měřenou veličinu je možno přepínat. Tato varianta byla zvolena také jako výchozí. Ze zdroje jsou vyvedeny dva signály jeden s informací proudu a druhy s informací napětí. Na předním panelu si lze vybrat přepínačem, kterou veličinu chceme zobrazit, vedle display jsou dvě LED, jedna signalizuje měření proudua druhá měření napětí.

Také je v této konstrukci použito zakoupeného modulu měřícíhouniverzálního přístroje s následujícími parametry: (U_nap 8V až 10V, I_nap 1,6mA, Rozsah +/- 200mV). K tomuto měřícímu přístroji lze zakoupit na displej na přední panel krycí rámečeka čelní plexisklo. Tento modul měřícího přístroje nabízí např. firma EZK. Pro zájemce o vlastní stavbuměřidla lze doporučit literaturu Poznáváme Elektroniku III.

Upozornění!

Pro měřící přístroj je nutno použít samostatný nezávislý zdroj a to zejména protže když měříme proud, došlo by ke zkratuak zničení měřících obvodu. Jako zdroj stačí každý malý transformátor neboť měřící přístroj má vlastní odběr I_max1,6mA. Za transformátorem jednoduchý usměrňovač tvořený 4 diodami 1N4001 a filtrační kondenzátor s kapacitou 1mF/25V. Dále pak monolitický stabilizátor 78L09.

	Zapojení kontaktu označených na schématu
	1,2 3,4 1a,1b 2a,2b 3a,3b Q1 Q2 1a,1b 2a,2b	Napájení PMV7106+Ucc 9V Měřící svorky Uin +/- 200mV slouží pro měření napětí slouží pro měření proudu zvolený stav měření měření napětí měření proudu zapojeno na výstup zdroje zapojeno na snímací rezistor0,22W / 7W

Před kontakty 1a,1b a 2a,2b jsou zařazeny trimry pro kalibraci. Stav měření je signalizován příslušnou LED Q1 pro měření napětí nebo Q2 pro měření proudu.

Volba transformátoru

Transformátor může být proveden s jádrem toroidního typu nebo klasické provedení s EI plechy. U tohoto transformátoru musíme dbát především na bezpečnost a spolehlivost. Je vhodné také tento transformátor předimenzovat. Transformátor se nebude alespoň tolik přehřívat.

Parametry / technické údaje

Bohužel chybí základní údaj o použitém jádru. Podle výkonu lze odhadnou že se jedná o EI40×32, tedy šířka sloupce 40, výška 32 tomu odpovídá celková šířka trafa 120 mm

Příkon	185VA	Počet závitů Primár	845
Výkon	150W	Počet závitů Sekundár	110
Primární napětí	230V	Průměr vodiče Primár	.0,58
Sekundární napětí	30V	Průměr vodiče Sekundár	1,60
Primární proud	0,8A
Sekundární proud	5A
Počet závitů / 1V	3,67
Šířka sloupku	12.25

Blokové schéma

Provedení předního panelu

Tento obrázek ukazuje případné řešení předního panelu, avšak berte jej jen jako ukázkový. Přesto se řadí mezi profesionálně provedené. Na obrázku je vidět v levém horním rohu hlavní vypínač, vedle něj sadu indikačních LED Ve spodní části jsou umístěny konektorové zdířky pro banánky a také potenciometry. Potenciometr označeny ROTATE slouží k nastavení otáček motoru vrtačky. Potenciometry označené CURRENT slouží pro proudové nastavení zdroje a potenciometry označené VOLTAGE slouží pro nastavení výstupního napětí. V pravém horním rohu se nachází display měřícího přístroje, pod ním je umístěna LED pro indikaci proudové ochrany. Vedle display je tlačítko pro volbu měření proudu či napětí, zvolená poloha je indikovaná LED.

Závěr

Tento zdroj se vyrovná i profesionálním přístrojům jak funkčností, parametry, tak i vzhledem. Stabilizace tohoto napájecího zdroje je vynikající, proudová rezerva je dostatečná a přesnost měření je velmi dobrá a to jsou vlastně nároky na kvalitní laboratorní zdroj.

Schéma vstupní části laboratorního zdroje

Schéma hlavní části laboratorního zdroje

Nákres ventilátoru a rozměry

Popis zdroje 5V/1A a 12V/1A

Jak bylo vidět na blokovém nákresu zdroje, tak je navíc zdroj doplněn o dvě stabilní neregulovatelná napětí s hodnotou 5V a 12V. Tyto hodnoty byly zvoleny, z důvodu nejčastějšího používání v číslicové technice. Dovolené zatížení obou zdrojů je 1A.

Zdroje mají tepelnou a proudovou pojistku, která je součástí IO. Při přetížení se automaticky vypínají. Je nutno brát ohled, že při plném zatížení zdroje 5V, vzniká na IO ztráta 17W. To znamená, že se neobejdeme bez většího chladiče.

Tyto zdroje jsou pouze jako doplňky a jsou napájeny z druhého transformátoru, který slouží pro napájení ventilátoru a měřícího modulu.

Seznam součástek pro zdroj 5V/1A a 12V/1A:

Jako doplněk zdroje byl zvolen zdroj pro vrtačku. Jedná se o část, která je zcela nezávislá na laboratorním zdroji a využívá pouze transformátor. Záleží na každém konstruktérovy jestli touto částí doplní tento laboratorní zdroj. V mém případě tato část v laboratorním zdroji je vypuštěna. Ale i přesto uvádím kompletní popis regulátoru včetně schématu a desky plošných spojů.

Simulace a grafy pro laboratorní zdroj

Na následujícím grafu je znázorněna závislost oteplení chladiče výkonového prvku na ztrátovém výkonu. V grafu jsou vyneseny tři křivky, které znázorňují oteplení v závislosti na ztrátovém výkonu při použití různých chladicích prvků.

Následující grafy znázorňují zvlnění výstupního napětí při zatížení 500mA a 5000mA. Při výstupním proudu I = 500mA je zvlnění p = 0,29% a při plném zatížení s protékajícím proudem I = 5000mA je zvlnění 1,25%. Tyto podmínky předurčují tento zdroj, hodnota tak nízkého zvlnění je zapříčiněna velkou filtrační kapacitou s hodnotou 4700mF / 50V a také kvalitním monolitickým stabilizátorem LM317T.

Laboratorní zdroj je vybaven proudovou pojistkou s integrovaným obvodem LM741. Na následujícím grafu je ukázáno jak pracuje proudová pojistka. Do nastavené hodnoty pojistka nereaguje, ale při překročení nastavené hodnoty začne pojistka reagovat a omezovat výstupní napětí a tím i výstupní proud. Na grafu je ukázáno omezení pro proud 5000mA.

Na dalším obrázku jsou nakresleny kontrolní body na kterých kontrolujeme správné nastavení laboratorního zdroje. Měřící metody jsou simulovány v programu Electronics Workbench. Osciloskopem můžeme změřit zvlnění na regulovatelné části laboratorního zdroje. Blíže na grafech zvlnění při určitých výstupních proudech.

Návrhy desek plošných spojů:

Použitá literatura

Při sestavení textů a vyobrazení jsem postupoval s velkou péčí. Přesto není možno zcela vyloučit chyby. Autor nemůže převzít právní zodpovědnost ani jakékoliv jiné záruky. Za sdělení o případných chybách bude autor vděčen.