Устройство электропитания с термостабилизацией

September 1, 2011 by admin Комментировать »

Электронное УЭП с выходным регулируемым напряжением отличается универсальностью действия, высокой степенью стабилизации напряжения и точностью установки выходного напряжения. Работает от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц. Лабораторный стабилизированный БП применяется для налаживания и ремонта РЭА, принципиальные схемы которой включают в себя современные типы комплектующих ППП и микросхем. УЭП может быть изготовлено как самостоятельное изделие, но может быть использовано и как встроенный узел в составе комплексного изделия.

При сборке различных РЭУ всегда возникает необходимость в проверке работоспособности его отдельных функциональных узлов и блоков. При этом, подключая изделия к питающему устройству, предпочтительно подавать на него стабилизированное напряжение от источника питания, оснащенного защитой от перегрузок. Это дает возможность избежать порчи дорогостоящих и порой остродефицитных ЭРЭ и приборов при возникновении аварийных ситуаций. Наиболее подходящим для УЭП считается стабилизатор с ограничением значения выходного тока при коротком замыкании и самовозвратом в рабочий режим после устранения причины перегрузки, исключающий опасность теплового пробоя регулирующего транзистора при увеличении падения напряжения на нем в режиме ограничения тока. Частично эта проблема решается в рассматриваемом УЭП с термостабилизацией (рис. 2.2).

Как следует из схемы, УЭП состоит из входного узла, сетевого понижающего трансформатора питания 77, двух выпрямителей, стабилизатора компенсационного типа, устройства защиты и выходных цепей. В нем предусмотрена защита от перегрузок и коротких замыканий на выходе с автоматическим отключением нагрузки и индикацией отключения.

Входной узел УЭП обеспечивает подключение к сети переменного тока с помощью электрического соединителя XI типа «вилка», предохранение от перегрузок и коротких замыканий во входных цепях при помощи плавкого предохранителя Z7/, а также индикацию включения в сеть и подачу сетевого напряжения на трансформатор питания 77. Для подключения к сети используется электрический шнур с двойной изоляцией длиной не менее 1,5 м. В качестве светового индикатора используется миниатюрная лампа тлеющего разряда типа ТН.

Сетевой понижающий трансформатор питания 77 изготавливается на броневом ленточном магнитопроводе типа ШЛ, активная площадь сечения стали которого должна быть не менее 4,5 см2. Трансформатор имеет три обмотки, создающие на выходе напряжение холостого хода 27,5 В и 33 В. Между обмотками / и //, II и III имеются еще две обмотки, выполняющие роль экранов, обеспечивающих развязку вторичных цепей устройства от первичной сети переменного напряжения. Моточные данные сетевого понижающего трансформатора TI приведены в табл. 2.7. При изготовлении трансформатора необходимо обратить внимание на качество намотки и повышенные требования к межвитковой изоляции, обеспечивающие в конечном итоге надежную, долговечную и безопасную эксплуатацию устройства.

Сетевой понижающий трансформатор TI обеспечивает гальваническую развязку вторичных цепей питающего устройства от сети переменного тока, дает возможность работать с пониженным переменным напряжением, достаточно безопасным при регулировке и настройке, а также подключить к нему низковольтный паяльник мощностью до 60 Вт, который должен использоваться при пайке ППП и микросхем.

После сборки трансформатор необходимо подвергнуть пропитке изоляционными лаками и термотренировке. Самодельный трансформатор питания 77 можно заменить на унифицированный типа ТПП с выходными параметрами, аналогичными тем, что указаны в тексте и в табл. 2.7. Например, можно применить трансформатор типа ТПП280-127/220-50.

На выходе трансформатора собрано два выпрямительных устройства, подключенных к обмоткам II и III. Каждый выпрямитель собран на четырех выпрямительных диодах VD1—VD4 и VD5—VD8 по мостовым схемам, ра-

Таблица 2.7. Моточные данные сетевого понижающего трансформатора в устройстве электропитания с термостабилизацией

 

 

 

 

 

 

Сопротив

Обозначе

 

 

 

 

 

ление по

ние транс

Магнитопро-

 

 

Марка и диаметр провода, мм

 

стоянному

форматора

вод, марка

Об

Выво

Число

току, Ом

на схеме и

стали и тол

мотка

ды

витков

(предель

тип конст

щина, мм

 

 

 

ное откло

рукции

 

 

 

 

 

нение ±15%)

77, бро

ШЛ20Х20,

I

1—2

ПЭВ-2; 0,31

2200

18

невой, с

3314; 0,35;

II

3—4

ПЭВ-2; 0,49

275

4,1

одной ка

витой лен

 

 

 

тушкой

точный

III

Эк

5—6

ПЭВ-2; 0,64

330

3,1

 

 

ран

0

ПЭВ-2; 0,12

1 слой

ботающих на емкостные фильтры. Выпрямители характеризуются повышенной частотой пульсации выпрямленного напряжения, полным использованием габаритной мощности трансформатора 77 и пониженным значением обратного напряжения на комплекте выпрямительных диодов. Оба выпрямителя относятся к однофазным двухполупе- риодным схемам, которые обладают рядом преимуществ перед другими выпрямительными схемами: не допускают установки однотипных диодов на одном радиаторе без изоляционных прокладок, обладают повышенным падением напряжения на диодном мосту и могут применяться в бестрансформаторных схемах. Расчет выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку, подробно рассмотрен в научно-технической литературе [10, 12, 14].

На выходе выпрямителей установлены емкостные фильтры, собранные на электролитических конденсаторах С/ и С2, при этом второй конденсатор включен через резистор R2. Оба фильтра являются накопителями электроэнергии и сглаживают пульсации выпрямленного напряжения. Первый выпрямитель, собранный на диодах VD1—VD4, предназначен для питания цепей нагрузки, а второй питает УПТ и защитное устройство.

Стабилизатор напряжения собран на пяти транзисторах VT1—VT5 по компенсационной схеме с последовательным включением регулирующего транзистора. Стабилизатор допускает перестройку на максимальный ток нагрузки до 2 А при максимальном выходном напряжении до 15 В. Выходное стабилизированное напряжение можно регулировать в широких пределах при максимальном токе нагрузки до 0,9… 1 А. В компенсационных стабилизаторах напряжение, поступающее с выпрямителя, представляет собой сумму выходного стабилизированного напряжения и падения напряжения на регулирующем транзисторе. При уменьшении напряжения на выходе устройства соответственно увеличивается падение напряжения на этом транзисторе, а значит, увеличивается и рассеиваемая мощность. Желание создать стабилизатор с плавным регулированием выходного напряжения в широких пределах и большим током нагрузки связано с выделением значительного количества тепловой энергии на регулирующем транзисторе. В стабилизаторе применено плавное регулирование с выделением на регулирующем транзисторе VT5 максимальной мощности, не превышающей 12 Вт. Это обстоятельство при последовательном включении двух управляющих транзисторов позволяет обеспечить стабилизацию выходных напряжений и защиту от перегрузок и коротких замыканий в цепях нагрузки.

С выводов 3 и 4 обмотки сетевого трансформатора снимается переменное напряжение 27,5 В, которое после выпрямления и сглаживания фильтром С2, R2 проходит первую ступень стабилизации. Напряжение на конденсаторе равно 20 В, а амплитуда пульсаций не более 150 мВ. В первую ступень стабилизации напряжения включены резистор R3 и стабилитроны VD9 и VD10. На выходе первой ступени стабилизации действует напряжение 15 В при пульсациях не более 5 мВ. Это напряжение поступает на вторую ступень стабилизации, образованную стабилитронами VD11, VDI2, диодом VDI3 и резистором R6. Здесь формируется напряжение, не зависящее от напряжения сети и тока нагрузки и имеющее незначительный уровень пульсаций.

Управляющее напряжение поступает на базу транзистора VT2, эмиттер которого подключен к делителю напряжения, собранному на переменном резисторе R/4, через размыкающие контакты реле К1.2. Этот делитель включен параллельно выходным зажимам стабилизатора, где происходит сравнение величины управляющего напряжения с частью выходного напряжения. Напряжение на базе транзистора VT2 регулируется в пределах от 3 В до 9 В, а выходное напряжение — от 0 до 20 В.

Стабилитроны второй ступени стабилизации выполняют одновременно функции чувствительных элементов в системе автоматического регулирования. Диод VD/3 и стабилитрон VD11 включены в схему для повышения температурной стабильности выходного напряжения. Такую же функцию выполняет стабилитрон VD12, у которого небольшой коэффициент температурной стабилизации. Здесь необходимо заметить, что напряжение на базу транзистора первой ступени усилителя поступает не только с делителя напряжения, образованного резисторами R7 и R8, но еще и с диода VD13. Таким образом, управляющее напряжение равно сумме напряжений на диоде VD13 и на резисторе R8. Включение стабилитрона VD11 позволило увеличить коэффициент усиления системы автоматического регулирования, за счет чего большая часть приращений тока первой ступени (транзистор VT2) поступает на базу транзистора второй ступени усилителя, собранной на транзисторе VT1. При этом влияние дифференциального сопротивления стабилитрона, работающего в данном случае в качестве ста- бистора VDtl, незначительно, поскольку при токе через него в 10 мА оно составляет около 2,5 Ом при температуре 20°С, что почти в десять раз меньше сопротивления эмиттерного перехода транзистора VT1 при токе эмиттера около 1 мА.

Напряжение питания, поступающее на коллектор транзистора второй ступени, стабилизировано и не зависит от выходного напряжения. Резистор R10, ограничивающий ток коллектора транзистора VT1, играет важную роль в цепи защиты стабилизатора от перегрузок и коротких замыканий на выходе. При возникновении короткого замыкания в нагрузке ток не может превысить величины, равной 2,5 мА и определяемой напряжением питания 15 В и суммарным сопротивлением резисторов R10 и R16. Вследствие этого и ток регулирующего транзистора VT5 ограничивается на уровне, меньшем предельно допустимого. Возможность использования такого рода защиты определяется зависимостью тока базовой цепи транзистора VT3 от напряжения между коллектором и эмиттером этого и последующих транзисторов VT4 и VT5, а также от окружающей температуры. С одной стороны, крутизна выходных статических характеристик транзисторов незначительна и сравнительно слабо зависит от температуры и напряжения на коллекторе, с другой стороны, существует значительная температурная зависимость токов утечки коллекторных переходов транзисторов, в первую очередь VT4 и VT3.

В действующем УЭП в интервале температур от 0 до 35 °С ток коллектора транзистора VT1 изменяется от 1,35 до 0,78 мА при отключенной нагрузке. При токе нагрузки в 1 А ток коллектора транзистора VT1 изменяется на величину не более 0,45 мА в этом же интервале температур и независимо от напряжения на выходе. Таким образом, при температуре окружающей среды 35 °С й при коротком замыкании в нагрузке через транзистор VT5 будет протекать максимальный ток 6 А. Примененный в схеме транзистор VT5 имеет предельно допустимый ток коллектора 10 А, и за короткий промежуток времени, который требуется для срабатывания релейной защиты, этот транзистор не успеет нагреться до критической температуры. Подбором сопротивления резистора R10 можно максимальный ток перегрузки уменьшить до 3 А.

Каскад схемы, собранный на транзисторе VT3y является буферным между управляющими и регулирующими элементами. Максимальное напряжение на транзисторе VT3 может достигать 50 В, поэтому его выбирают из числа высоковольтных, а в цепи базы и эмиттера включены резисторы, облегчающие режим его работы. С этой же целью в цепи базы транзистора VT4 включен резистор R17 со сравнительно небольшим сопротивлением.

В качестве РЭ использован мощный кремниевый транзистор, допускающий нагрев его корпуса до рабочей температуры 100 °С.

После включения УЭП и замыкания контактов переключателя S1 выходной ток стабилизатора начинает протекать через обмотку герконового реле К2, настроенного на срабатывание при токе нагрузки 0,9—1 А. Превышение этой величины тока вызывает замыкание контактов К2.1, после чего срабатывает реле Л7 с самоблокировкой. При этом контакты Л7.2 размыкаются и отключают эмиттер транзистора VT2 от переменного резистора R14. В результате токи через все транзисторы уменьшаются до величины, определяемой токами утечки транзисторов. Резистор R9 в цепи коллектора транзистора VT2 ограничивает ток через этот транзистор при коротком замыкании на выходе. Это предотвращает перегрев и выход из строя регулирующего транзистора до момента срабатывания защитного устройства. Индикатором срабатывания защиты служит лампа Н2. На выходе стабилизатора для контроля напряжения включен ИП PAL Сопротивление резистора R17 рассчитано таким образом, что при плавном изменении выходного напряжения в делителе изменяется сопротивление то правого, то левого плеча.

При изготовлении УЭП применены следующие комплектующие ЭРЭ общего назначения: сетевой понижающий трансформатор питания 77 броневой конструкции типа ШЛ; транзисторы vt1 типа П217, vt2 — МП20А, vt3 — КТ608А, vt4 — ГТ403Д, vt5 — КТ803А; выпрямительные диоды vd1—vd4 типа Д226Д, vd5—vd8 типа КД202Е, vd13 — Д310; стабилитроны vd9 типа Д808, vd10 — Д808, vd11 — Д808, vd12 — Д818Е; конденсаторы С/ типа К50-6- 50В-4000 мкФ, с2 — K50-6-25B-330 мкФ, СЗ — К40У-9-200В-0,02 мкФ, с4 — K50-6-50B-4000 мкФ; резисторы r1 типа ВСа-2-470 кОм, r2 — ВСа-0,5-300 Ом, r3 — ВСа-0,5-200 Ом, r4 — BCa-2-l кОм, r5 — ВСа-0,25-750 Ом, r6 — ВСа-0,25-510 Ом, r7 — ВСа-0,5-820 Ом, r8 — ВСа-0,5-820 Ом, r9 — ВСа-0,25-1 кОм, r10 — ВСа-0,5- 5,1 кОм, r11 — ВСа-0,5-39 Ом, r12 — ВСа-0,5-510 Ом, r13 — ВСа- 0,5-100 Ом, r14 — СПЗ-4М-0,25Вт-А-470 Ом, r15 — ВСа-0,5-39 кОм, r16 — ВСа-0,25-1 кОм, r17 — СП-Ш-1Вт-А-470 Ом; предохранитель f1 типа ПМ-1-0,25 А; индикаторные лампы hi типа TH-0,2-1, н2 — МН-26В-0,3 А; реле электромагнитное Д7 типа РЭС-9 (паспорт РС4.524.201), реле герконовое к2 типа КЭМ-2А с обмоткой из провода марки ПЭВ-2 диаметром 0,67 мм, намотанного на диэлектрическом каркасе; электрические соединители xi типа «вилка» с электрическим кабелем с двойной изоляцией и длиной не менее 1,5 м, Х2, ХЗ типа КМЗ-1.

После сборки и монтажа УЭП требует налаживания в следующем порядке. После включения устройства в сеть переменного тока проверяется напряжение на выходе вторичных обмоток трансформатора, далее — на выходе выпрямительного устройства в точках Л и Б. В режиме холостого хода напряжение в точке А должно быть в пределах 20—40 В, а в точке Б — 20 В. При плавном вращении движка резистора R14 напряжение на выходе должно изменяться до 25 В.

После этого к устройству подключают нагрузку — к зажимам Х2 и ХЗ — в виде резистора типа ПЭВ с сопротивлением 20—30 Ом, мощностью 15 Вт. Если при этом срабатывает защитное устройство и вспыхивает сигнальная лампа Н2, то геркон выдвигают из обмотки на несколько миллиметров или уменьшают число витков обмотки, чтобы замыкание контактов геркона происходило при токе 1,2 А. Далее измеряют напряжение на резисторе R10, которое должно лежать в пределах 7—9 В. Если напряжение выходит за эти рамки, необходимо произвести увеличение или уменьшение сопротивления этого резистора. Подбор сопротивления резистора RJ5 зависит от типа примененного ИП.

Конструктивно устройство удобно выполнить в БНК «База-3» или «База-4». Устройство, изготовленное в виде вытянутого прямоугольника высотой не более 90 мм, занимает мало места на рабочем столе и удобно в эксплуатации.

При изготовлении, монтаже и налаживании УЭП можно заменить некоторые комплектующие ЭРЭ. Например, вместо резисторов типа ВСа применить резисторы типов МЛТ, ОМЛТ, МТ, УЛИ, БЛП, С1-4 и другие, вместо конденсаторов типа К50-6 использовать конденсаторы типов К50-3, К50-12, К50-20 и другие, сохраняя номиналы сопротивлений и емкости. Выпрямительные диоды типа Д226Д можно заменить на диоды типов КД202Г, КД202Д, Д302, ДЗОЗ; стабилитроны типа Д808 — на Д814А, стабилитрон VD9 — на Д814А, VD10 — на Д814А, VD11 — на Д809—Д813, Д814А— Д814Д. Транзистор VTI типа П217 можно заменить на транзистор типа П15А (МП15А), транзистор МП20А — на МП20Б, МП26А, транзистор типа МП10Б — на МП25А, транзистор VT3 типа КТ606А — на КТ601, КТ602А, КТ602Б, КТ604, КТ605, КТ608Б, транзистор типа ГТ403Д — на ГТ403В—ГТ403И, транзистор КТ803А — на КТ805Б, КТ834В. Вместо резисторов RI4 и R17 типов СПЗ и СП-Ill лучше применить мощные проволочные резисторы типов СП5-30, ППБ, ППЗ-40, СП5-37. В качестве ИП используется микроамперметр типа М4205 с током полного отклонения стрелки прибора 100 мкА.

Конструкция УЭП во многом зависит от тех комплектующих ЭРЭ, которые имеются в наличии, и в первую очередь от сетевого трансформатора питания и ИП.

Техническая характеристика УЭП

с термостабилизацией

Номинальное напряжение питающей сети

переменного тока, В ………………………………………………………………………..  220

Номинальная часго>а питающей сети

переменно! о тока, Гц …………………………………………………………………………. 50

Пределы изменения напряжения питающей сети

переменного тока, В ……………………………………………………………………………  200—240

Пределы изменения частоты питающей сети

переменного нжа, Гц ………………………………………………………………………….. 49—51

Коэффициент нелинейных искажений питающей ccih

переменно! о гока, %, не более ………………………………………………………… 10

Выходное стабилизированное напряжение, В … 0—20

Коэффициент стабилизации выходного

регулируемого напряжения, не менее…………….. 300

Максимальный ток нагрузки, А………………………… 1

Максимальная мощность УЭП

при полной нагрузке, Вт ………………………………. 30

Амплитуда пульсаций выходного напряжения

при нагрузке, мВ, не более……………………………. 15

Изменение выходного напряжения при изменении

тока нагрузки от 0 до 1 А, В, не более…………… 0,025

Температурная нестабильность

выходного напряжения, мВ/°С, не более ……………. 4

Дрейф выходного напряжения за время работы

не менее 10 ч, мВ, не более ………………………….. 10

Ток срабатывания защитного устройства, А………… 1

Мощность, потребляемая устройством в режиме холостого хода (при отсутствии

нагрузки), мВт, не более………………………………. 15

Помехозащищенность устройства с металлическим экраном при напряженности внешнего электромагнитного поля, дБ,

не менее………………………………………………….. 100

Кпд, %, не менее ………………………………………… 80

Условия эксплуатации:

температура окружающей среды, °С………………… 0…35

относительная влажность воздуха

при температуре 20°С, %, не более ………………… 85

атмосферное давление воздуха, кПа (мм рт. ст.):

верхнее значение …………………………………….  120 (900)

нижнее значение …………………………………….  26,7 (200)

Литература:

  Сидоров И. Н. С34 Самодельные электронные устройства для дома: Справочник домашнего мастера.— СПб.: Лениздат, 1996.- 352 е.. ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты