• Русский
  • Українська

Лабораторный блок питания 0-50 В, 3 А. Часть 2

  Эта статья является продолжением Лабораторный блок питания 0-50 В, 3 А. Часть 1

В прошлый раз мы рассмотрели основные требования к нашему будущему лабораторному блоку питания - определились с требуемым напряжением в 50 вольт и током в 3 ампера. Для этого был выбран соответствующий трансформатор ТС-160, который в состоянии выдать нужную мощность. Упомянули, что на трансформаторе будет несколько вторичных обмоток, коммутацию которых будет осуществлять коммутатор вторичных обмоток, построенный на симисторах/тиристорах.

Получается, на данный момент есть примерная схема, которая будет использована за основу (см. первую часть). Также определились с трансформатором - купили, измерили размеры, посмотрели, как он будет крепиться к корпусу. Разводить плату пока не имеет смысла, поскольку не ясно каких размеров она должна быть и как радиокомпоненты на ней позиционировать. Поэтому, следующим шагом должен стать выбор корпуса подходящих размеров. Если вы хотите делать что-то совсем самодельное (из фанеры, оргстекла и прочего), тогда вам этот шаг не так важен - можно сделать будет опосля подходящий ящик нужных размеров, чтобы в него поместить плату, трансформатор, радиатор и остальное. Но мне хотелось взять корпус от готового изделия - в идеале это мог быть корпус от ЛБП. Но разбирать ЛБП, чтобы сделать ЛБП как-то не очень идея laughing

Корпус

Поиск стоит начать с местного сайта объявлений. Часто бывает, что даже простой просмотр объяв может дать какую-то идею. Ищем по слову "корпус", сортируем от самых дешевых. Иногда попадаются объявления с корпусами от старых измерительных приборов. Например, корпус от осциллографа С1-94 вполне мог бы подойти. Или от старого видеомагнитофона. Также вариант от спутникового ресивера. Здесь нужно исходить от размеров трансформатора, который уже имеется. Если совсем ничего нет - есть в продаже корпуса для РЭА различных размеров. Бывают как пластиковые, так и металлические. Вопрос цены. 

Как было в моем случаем. Просмотр объявлений особых результатов не дал. Как вариант разве что присмотрел корпус от ИБП (источник бесперебойного питания). Как правило, они стоят довольно таки дешево, если аккумулятор в них уже износился. Покупая такой прибор кроме самого корпуса получите еще и горку комплектующих на будущее (трансформатор, реле, "рассыпуху"). Затем я решил просмотреть местный радиорынок. Пол часа хоть бы и я уже щупаю подходящий корпус от стабилизатора напряжения Gemix GMX-500 smile Недолгие торги с продавцом, и стабилизатор куплен за 15 уе (2014 год). 

Стабилизатор напряжения Gemix GMX-500 (вид спереди) Стабилизатор напряжения Gemix GMX-500 (вид внутри) Стабилизатор напряжения Gemix GMX-500 (вид сбоку)

Кстати, новый корпус для РЭА (обычная черная пластиковая коробка) на тот момент стоила дороже этого стабилизатора. Плюс вдобавок вы получаете трансформатор ватт на 120, 4 реле, 2 X LM324, дюжину диодов, резисторы, показометры. Авось сгодится когда-то потом. Использовать родной трансформатор из коробки вряд ли удасться. Поскольку, скорей всего, там придется перематывать как вторичку, так и первичку. А вот кнопки, переключатели, держатели для предохранителей нам сгодятся для будущего устройства. 

Еще немного про панели стабилизатора. Вместо родных показометров будут стоять китайские электронные. Прямоугольные отверстия для них придется немного расширить. Надписи с лицевой панели стираются тряпкой с растворителем - но нужно тереть тряпкой в одном направлении. На задней панели нужно будет установить гнездо под сетевой шнур. Или оставить как есть (просто в моем случае как видно провод в месте изгиба треснул, поэтому было решено установить гнездо для сетевого шнура от ПК).

Панель от стабилизатора напряжения Gemix GMX-500 (вид спереди) Панель от стабилизатора напряжения Gemix GMX-500 (вид сзади)

Трансформатор

Пару слов о трансформаторе ТС-160. На нём 4 основные силовые вторичные обмотки по 10 В переменного напряжения. Мотались они проводом 1.4 мм (диаметр). Провод выбирался исходя из нужного тока на выходе - 3 А. Мотать эти обмотки следует как можно плотнее. После желательно залить парафином или лаком. Потому как в моем случае, если этого не сделать, есть небольшой гул при работе и во время подключения обмоток есть небольшой щелчок.

Следующая обмотка на 15 В для питания микросхемы, вольтметра и платы переключения обмоток. Изначально она не планировалась. Базовая схема так рассчитана, что питание микросхемы через транзистор VT1 получает 12 В. И всё бы хорошо, но в один момент на этапе тестирования стабилизатор напряжения TL431 вышел из строя и VT1 пропустил всё входящее напряжение (около 55 В). И если LM324 не успела сгореть, то китайский вольтметр от такого перенапряжения удачно навсегда нас покинул. Поэтому "запитка" от отдельной обмотки спасёт в таких ситуациях.

Последняя обмотка на 9 В предназначена для питания амперметра. В деталях уже не вспомню, но пришлось делать отдельную обмотку для амперметра, поскольку он не хотел одновременно нормально работать от того же питания, что и вольтметр. Эта и предыдущая обмотки мотаются тонким проводом (0.5 мм хватит). Немного фотографий трансформатора до и после перемотки. 

Трансформатор ТС-160 в разобранном состоянии (вид сверху) Трансформатор ТС-160 в разобранном состоянии (вид сбоку) Трансформатор ТС-160 в разобранном состоянии (вид сбоку)

После перемотки. В последствии шильдик немного изменился (добавлена еще одна обмотка). Также выходы первичек на 127 В были спаяны, чтобы освободить клеммы для доп. обмотки.

Трансформатор ТС-160 после перемотки

  Как измерить толщину провода линейкой без микрометра и штангенциркуля

Расскажу про один лайфхак, который уже совсем не новый. Если у вас так случится, что нет под рукой микрометра и штангенциркуля, а толщину провода нужно как-то измерить, то можно поступить следующим способом. Берёте ручку, например, или отвёртку. Наматываете на неё 10 витков провода как можно плотнее друг к другу. Линейкой замеряете толщину получившихся витков и делите на 10 (количество витков). Это и будет толщина провода. Чем больше витков - тем меньше погрешность в итоге. Нужно еще брать во внимание изоляцию провода и отнимать её из получившейся толщины. Как видно на рисунке ниже, толщина витков около 13 мм. Делим на количество (10 шт) и получаем 1.3 мм. Это весьма грубо. Отнимаем изоляцию и берём во внимание, что конкретно в данном случае этот провод многожильный.

Как измерить толщину провода линейкой без микрометра и штангельциркуля

Тестовый стенд

Теперь можно приступать к сборке БП на макетной плате. Изначально всё собиралось на одном силовом транзисторе MJ2955. Его вроде, как и хватает для БП, но надёжнее собирать устройство на нескольких транзисторах, подключенных параллельно. Но для тестового стенда этого было достаточно. 

Макетная плата ЛБП Макетная плата ЛБП Макетная плата ЛБП

Как видно на рисунке выше - транзистор обязательно на радиаторе. На плате размещен потенциометр регулировки тока. Отдельно на проводах выведен регулятор напряжения (грубо/точно). В последствии было решено отказаться от точной настройки и оставить только грубую. Поскольку на лицевой панели корпуса места под два регулятора было; третий там бы некрасиво смотрелся. Но даже грубой настройкой можно вполне точно настраивать выходное напряжение.

Отдельно на проводе вынесен терморезистор. Нагревая термофеном можно выставить порог срабатывать термозащиты (подкручивая резистор). По идее разработчика платы этот датчик должен был находиться на радиаторе вместе с силовыми транзисторами на радиаторе. Но в моём варианте он находился около диодного моста на трансформаторе. Об этом будет потом в доработках. 

Также стоит отметить, что на текущем этапе не использовался коммутатор обмоток - обмотки были включены последовательно и на вход БП поступали нужные 55 вольт. Поэтому, продолжительно такой БП не смог бы работать без вентиляторного охлаждения и на таком малом радиаторе. Но это же только тестовый стенд, потому так. 

Макетная плата ЛБП с тремя силовыми транзисторами Макетная плата ЛБП с тремя силовыми транзисторами, вольтметром и амперметром Макетная плата ЛБП с тремя силовыми транзисторами и платой вольтдобавки (коммутатор обмоток)

На рисунках выше вместо одного транзистора уже три в параллель. Также добавляются уже вольтметр и амперметр. Затем плата вольдобавки (коммутатор обмоток). Немного про неё в первой части упоминалось. 

Дальше докуплены еще 3 транзистора TIP147. Симисторы (после они были заменены на тиристоры) на проводах вынесены отдельно от платы.

Транзисторы TIP147 на радиаторе Транзисторы TIP147 на радиаторе Макетная плата БП с коммутатором обмоток, вольтметром и амперметром

Симисторы BTA06-600C, на которых так и не удалось собрать нормально работающий коммутатор обмоток. Вместо них использованы тиристоры BT151-500.

Симисторы BTA06-600C

Забегая наперёд, ниже показана уже готовая плата, но пока всё еще на проводах.

Готовая плата БП Готовая главная плата

Изготовление плат

Когда уже была распаяна макетная плата со всеми компонентами и всё было протестировано, пришло время разводить и изготавливать полноценную плату. Особых хитростей здесь нет, нужно только делать дорожки потолще там, где будут протекать большие токи. Плата изготавливалась самостоятельно методом ЛУТ (лазерно-утюжной технологии). Не сказать, что всё хорошо гладко на тот момент. Кое-где тонер отслоился и на больших полигонах бывали "дырки", которые были видно на просвет. Поэтому от метода с нанесением тонера на офисную бумагу и бумагу от журналов я впоследствии отказался в пользу фотобумаги. Об этом как-то в другой статье можно будет рассказать. Хотя информации в интернете уже достаточно. Для травления использовалась лимонная кислота и перекись водорода.

Плата перед травлением Плата после травления Плата после травления и сверления отверстий

Кроме основной платы еще была небольшая панелька под светодиоды на лицевую панель и для кнопки.

Плата светодиодов и кнопки Готовая основная плата

Доработка корпуса

Разумеется, что платы изготавливались под габариты корпуса. Нужно рассчитывать, как станет трансформатор, как разместить конденсатор выпрямителя, не будут ли упираться вольтметр и амперметр во что-то. Корпус также нуждался в некоторых доработках.

Переделка лицевой панели Переделка лицевой панели под показометры Плата со светодиодами и кнопкой

Радиатор

Радиатор был куплен на радиорынке. Удовольствие это не дешевое и цельный кусок алюминиевого профиля будет стоить как половина купленного стабилизатора. Но от этого куска профиля вам понадобится только половина. Но если у вас корпус будет других размеров и будет возможность поставить радиатор больших размеров - так и делайте. В радиаторе с обратной стороны нужно будет высверлить отверстия для крепежа к задней панели корпуса. А также отверстия для крепления транзисторов и тиристоров. Также на него стоит поместить и диодный мост выпрямителя. Транзисторы нужно ставить на слюдяную пластину.

Кроме сверления отверстий, нужно будет еще нарезать в них резьбу метчиком на 3-4 мм. Тут важно не сорвать резьбу. А то бывало ... 

Цельный кусок алюминиевого профиля для радиатора Сверление уже вырезанного по размерам радиатора Пластины из слюды для транзисторов на радиаторе

Сборка

Ниже показан главный радиатор с транзисторами и симисторами. Как выяснилось в последствии, симисторы "вылетали" при нагрузке. Потому эта плата потом была переделана под тиристоры. Также на первом рисунке можно увидеть терморезистор, который закреплен на радиаторе - он потом был перемещен на диодный мост. 

 Радиатор с транзисторами и симисторами Плата с транзисторами и симисторами Плата с транзисторами и симисторами

Плата с транзисторами и симисторами Радиатор с транзисторами и симисторами Радиатор с транзисторами и симисторами

Ниже показана переделанная под тиристоры плата и дальнейшая сборка.

Плата с транзисторами и тиристорами Коммутатор обмоток на плате Коммутатор обмоток и провода к радиатору

Подключение показометров и внутренности бп Сборка ЛБП Сборка ЛБП

Подключение транзисторов и симисторов к плате 

Дальше было подключение трансформатора и его установка. Кстати, если открутить трансформатор от шасси то он беспрепятственно откидывался. На днище корпуса 2 из 4 отверстий уже подходили под крепёж трансформатора. А плата к днищу прикреплена с помощью пластикового уголка, которым крепилась "родная" плата стабилизатора. При разводке платы нужно было учесть этот момент и оставить под уголки место.

Подключение и установка трансформатора Подключение и установка трансформатора Подключение и установка трансформатора

Подключение и установка трансформатора Подключение и установка трансформатора Подключение и установка трансформатора

Подключение и установка трансформатора Уже собранный БП

Уже собранный БП (вид сзади) Уже собранный БП (вид спереди)

Собранный лабораторный блок питания

Сборка завершена. Можно накидывать крышку и любоваться cool

Собранный ЛБП (вид сбоку) Собранный ЛБП (вид сбоку) Собранный ЛБП (вид сзади)

Собранный ЛБП в работающем состоянии Собранный ЛБП в работающем состоянии Вся банда в сборе :)

Дальнейшие доработки

А теперь о грустном. На момент написания этой статьи данный блок питания проработал уже около трёх лет. Используется не часто. Какие недоработки в нем выявились спустя некоторое время? Во-первых, это диодный мост. Как видно на фото он располагается на самой плате. В процессе работы он будет греться. Мною это было недооценено, считая, что мост не особо будет греться. Но это не так, если вы будете работать в продолжительном режиме. В текущем состоянии (до доработок) на максимальном токе и и напряжении в 50 В на выходе через минут 3-5 диодный мост нагревается до критической температуры. Поначалу на этапе проектировки и сборки был установлен небольшой радиатор. Его совсем не хватало. Не некоторых фото можно его видеть. После был установлен радиатор поболее и с медной пластиной. Но это, в общем-то, никак не решило проблему - долго с таким БП при существенной нагрузке работать не выйдет. 

Изначальный радиатор и новый с медной пластиной Радиатор с медной пластиной Радиатор с медной пластиной

 Даже эта замена ничего не решила, потому что радиатор этот греется внутри БП и теплый воздух никак наружу не вытягивается. Поэтому, даже еще больший радиатор особо разницы не сделает. Но чтобы хоть как-то улучшить охлаждение было решено перенести диодный мост на трансформатор - он вроде как с корпусом контактирует, да и нагреть такой кусок железки займет большее время. 

Диодный мост на трансформаторе

На мостик был прикреплен терморезистор, который отключал БП при значительном нагреве. Получается так, что трансформатор с диодным мостом быстрее успеют нагреться, чем радиатор с транзисторами. В общем-то, это уже лучше, чем было, но все равно такое себе решение. Если будете делать, то обязательно выносите мостик на основной радиатор к транзисторам. Также попался под руку подходящий вентилятор от процессорного куллера Intel, который хорошо становился на основной радиатор. 

Вентилятор на основном радиаторе

Вот в общем-то и всё. Кстати, в этом БП использованы 2 предохранителя - один сетевой, который прерывает входящие 220 В (2 А). Второй на схеме вольтдобавки указан (4 А). Держатели для предохранителей были изначально в купленном стабилизаторе.

Ниже представлена разведённая плата под печать (основная). Все платы доступны для скачивания в архиве ниже.

Разведённая плата для лабораторного блока питания

  Все платы для печати (Sprint Layout 6)

Комментарии к статье

  • Zivius
    А диоды Шоттки в выпрямительном мосту не пробовали?
    • Виталий
      А их на радиатор неудобно крепить.
  • Сергей
    Интересная статья! Хотелось бы узнать Ваше мнение адаптации этой схемы на 10 ампер?
    • Виталий
      Здравствуйте. Я не автор статьи, для более точных ответов на эту тему лучше обратиться к участнику форума Dr. West. Ссылка на тему со схемой указана в первой части этой статьи.
      Если вы говорите про вариант схемы на 50 В / 10 А то тут точно придется менять следующее:
      - диодный мост и конденсатор в выпрямителе
      - трансформатор должен выдавать 50х10 Вт
      - R27 нужно пересчитывать
      - в 3 раза больше выходных транзисторов
      - на плате вольтдобавки мощнее тиристоры
      - силовые дорожки платы наращивать, предохранители
      Но такой БП вряд ли можно будет назвать переносным из-за габаритов трансформатора и его веса в целом.

Поделитесь своим мнением о статье