Alimentatore da laboratorio con protezione integrata. Schema, descrizione

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Alimentatore da laboratorio con protezione completa. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Ogni radioamatore coinvolto nello sviluppo e nella riparazione di apparecchiature radio vorrebbe avere nel suo laboratorio un alimentatore universale, come si suol dire, per tutte le occasioni. Tale sorgente deve avere una tensione di uscita ampiamente regolabile, corrente elevata, stabilità dell'alta tensione, bassa ondulazione, protezione affidabile (contro sovracorrente, sovratensione e surriscaldamento), garantendo la sicurezza sia delle apparecchiature alimentate che della sorgente stessa. L'alimentatore dovrebbe essere semplice e non contenere componenti scarsi, costosi o di grandi dimensioni.

I tentativi di trovare una descrizione del dispositivo finito che soddisfi i requisiti di cui sopra non hanno avuto successo, quindi l'autore ha dovuto sviluppare da solo un'unità simile. Giudica tu stesso cosa ne è venuto fuori.

Durante lo sviluppo dell'alimentatore da laboratorio (PSU) proposto, l'attenzione principale è stata prestata all'unità di protezione. Secondo l'autore, per garantire la massima affidabilità, la protezione elettronica ed elettromeccanica dovrebbero essere utilizzate in combinazione.

L'alimentatore descritto implementa unità di protezione corrente, contro la sovratensione in uscita, nonché protezione termica.

Per proteggere le apparecchiature radio da danni elettrici in un'ampia gamma di correnti di carico, la protezione corrente deve essere regolabile. Durante il processo di sviluppo sono sorte alcune difficoltà con l'implementazione dell'attuale sensore. Nella versione classica, si tratta di un resistore collegato al circuito di alimentazione, la cui caduta di tensione viene monitorata dall'unità di controllo della protezione. Per implementare un sensore di corrente regolabile, sarebbe necessario un resistore variabile di potenza molto elevata con una resistenza da unità a decimi e persino centesimi di ohm. Quindi, ad esempio, con una resistenza del sensore di corrente di 0,1 Ohm e una corrente di 15 A, dissipa più di 20 W di potenza! Esiste un'opzione con resistori di commutazione, ma in questo caso l'interruttore deve sopportare la corrente di carico massima. Inoltre, la resistenza dei contatti dell'interruttore è instabile e commisurata alla resistenza dei resistori commutati, pertanto la soglia di protezione sarà instabile e l'interruttore stesso sarà molto ingombrante. Naturalmente, è possibile utilizzare un resistore costante con resistenza molto bassa e amplificare la caduta di tensione ai suoi capi con un amplificatore CC regolabile, ma in questa forma di realizzazione il dispositivo diventerà significativamente più complicato.

La soluzione è apparsa dopo aver letto l'articolo [1] ed è la seguente: un avvolgimento aggiuntivo viene avvolto sull'alloggiamento del relè reed RES-55, che è incluso nel circuito di alimentazione fino allo stabilizzatore. La direzione della corrente negli avvolgimenti principali e aggiuntivi del relè viene scelta in modo tale da sommare i campi magnetici che creano. Quindi, modificando la corrente nell'avvolgimento principale, è possibile regolare il livello di funzionamento della protezione corrente dell'alimentatore.

Nelle unità di protezione contro le sovratensioni in uscita, viene solitamente utilizzato un potente diodo zener o tiristore che, con una tensione maggiore, apre e chiude l'uscita dell'alimentatore. A causa di un forte aumento della corrente, il fusibile installato nel circuito di alimentazione scatta.

Nell'unità proposta per la protezione contro le sovratensioni in uscita, nell'alimentatore viene introdotto un ulteriore stabilizzatore a bassa potenza con la stessa legge di regolazione della tensione di uscita di quella dello stabilizzatore principale. La tensione di uscita dello stabilizzatore aggiuntivo dovrebbe essere leggermente superiore a quella dello stabilizzatore principale. Entrambe le tensioni vengono fornite all'unità di confronto più semplice. Il superamento della tensione all'uscita dello stabilizzatore principale provoca l'intervento della protezione.

L'unità di protezione termica è montata su interruttori termici.

Le principali caratteristiche tecniche dell'alimentatore:

Intervalli di regolazione della tensione di uscita, V......1,2...15; 1,2...30
Corrente di carico massima (nell'intervallo 1,2...30 V è garantita con una tensione di 15...30 V), A......15
Fattore di stabilizzazione della tensione, non inferiore a ..... 100
Livello di ondulazione alla tensione di uscita 12 V e corrente di carico 10 A, mV, non di più......30
Intervallo di regolazione della corrente di attuazione della protezione, А......0,5...15
Eccesso di tensione in uscita alla quale interviene la protezione, V, non di più......2
Temperatura di attivazione della ventola di raffreddamento, °С......50
Temperatura di funzionamento della protezione termica, °С......60

Il circuito di alimentazione è mostrato in figura. Dall'avvolgimento secondario del trasformatore di rete T1, la tensione alternata viene fornita al ponte raddrizzatore VD1. Gli intervalli della tensione di uscita vengono commutati utilizzando il ponticello S1: nella posizione sinistra secondo lo schema - 1,5... 15 V; a destra - 1,2...30 V. I condensatori C1-C4 riducono l'interferenza moltiplicativa. La tensione raddrizzata, livellata dai condensatori C6-C9, viene fornita agli ingressi degli stabilizzatori principali e aggiuntivi, che sono assemblati sui microcircuiti DA3 e DA1, collegati secondo un circuito standard [2]. Per aumentare la corrente di uscita dello stabilizzatore principale, vengono utilizzati transistor di regolazione VT1-VT4, nei circuiti di emettitore di cui sono installati i resistori di equalizzazione della corrente R9-R12. I diodi VD2, VD3, VD10 e VD11 sono protettivi. La tensione di uscita degli stabilizzatori principali e aggiuntivi è regolata da un doppio resistore variabile R2. Il resistore R3 imposta l'eccesso minimo della tensione dello stabilizzatore aggiuntivo rispetto alla tensione di quello principale, necessario per il corretto funzionamento dell'unità di protezione.

(clicca per ingrandire)

La tensione all'uscita dell'alimentatore viene misurata con un voltmetro PV1 e la corrente in uscita con un amperometro PA1.

Per aumentare la stabilità del funzionamento, l'unità di protezione corrente è alimentata dallo stabilizzatore DA2. Il resistore R4 regola la corrente nell'avvolgimento principale 1-2 del relè reed K1, a seguito della quale cambia la corrente operativa nell'avvolgimento aggiuntivo 3-4. Se la corrente di uscita dell'alimentatore supera il valore impostato, il relè K1 si attiva, i contatti K1 1 attivano il relè K2 e si autobloccano tramite il diodo VD8. Il relè K2 funzionerà e i contatti K2.1 disconnetteranno lo stabilizzatore principale dal raddrizzatore. In questo caso il colore del LED HL1 cambierà da verde a rosso e si attiverà l'allarme sonoro (emettitore sonoro HA1 con generatore incorporato). L'allarme sonoro può essere disattivato utilizzando l'interruttore SA3. Dopo aver eliminato la causa della protezione corrente, l'alimentatore viene riportato allo stato originale premendo il pulsante SB1 “Reset”. I diodi VD7 e VD9 limitano la tensione di autoinduzione degli avvolgimenti dei relè K1 e K2.

Nel nodo per il confronto delle tensioni degli stabilizzatori principali e aggiuntivi, viene utilizzato un fotoaccoppiatore a tiristore U1. Le tensioni degli stabilizzatori vengono fornite al diodo emettitore del fotoaccoppiatore, che nello stato iniziale è chiuso. Se per qualche motivo la tensione all'uscita dello stabilizzatore principale aumenta, il tiristore dell'accoppiatore ottico si aprirà, attivando la protezione come descritto sopra. I diodi VD4-VD6 proteggono il diodo emettitore dell'accoppiatore ottico dal sovraccarico e il resistore R8 limita la corrente.

La protezione termica è fornita sugli interruttori termici SF1 e SF2. L'interruttore SF1 si attiva se la temperatura del dissipatore di calore raggiunge i 50 °C e accende il motore del ventilatore M1. Se la temperatura del dissipatore continua ad aumentare, a 60°C interverrà l'interruttore SF2 che attiverà la protezione. Il motore del ventilatore M1 può essere acceso forzatamente utilizzando l'interruttore SA2.

L'elemento principale che determina i parametri elettrici e le dimensioni dell'alimentatore è il trasformatore di rete T1. L'autore ha utilizzato un trasformatore a nucleo già pronto con una potenza complessiva di circa 600 W, che ha un avvolgimento secondario con una tensione di uscita di 30 V con una potenza media. Qualsiasi trasformatore con le caratteristiche richieste può essere utilizzato nell'alimentazione.

Il ponte a diodi MB351 (VD1) può essere sostituito con qualsiasi raddrizzatore della serie MB o KVRS. Come ultima risorsa, il ponte può essere assemblato da singoli diodi che forniscono la corrente di carico richiesta.

L'interruttore dell'intervallo della tensione di uscita S1 è composto da tre terminali del dispositivo collegati da un ponticello.

Gli stabilizzatori KR142EN22A sono sostituibili con qualsiasi di questa serie o con analoghi importati delle serie SD1083 DV1083, LT1083, SD1084, DV1084, LT1084 e lo stabilizzatore KR142EN8B può essere sostituito con un analogo importato 7812.

Relè K1 - RES-55B versione RS4.569.600-00 (passaporto RS4.569.626). Sono adatte anche le versioni relè RS4.569.600-05 (passaporto RS4.569.631), RS4.569.600-01 (passaporto RS4.569.627) e RS4.569.600-06 (passaporto RS4.569.632). Se il relè non funziona con una tensione di 12 V, la tensione dello stabilizzatore DA2 deve essere aumentata fino a quando il relè funziona in modo affidabile (con un margine di 1,5...2 V) collegando uno o due diodi al silicio a bassa potenza tra pin 2 del microcircuito e filo comune.Il pin del corpo del relè viene rimosso. Sul corpo del relè è avvolto un ulteriore avvolgimento con filo PETV (PEV). Quando si sceglie il diametro del filo, è necessario concentrarsi su una densità di corrente di 10 A/mm Nella versione dell'autore, l'avvolgimento aggiuntivo contiene 16 spire di filo con un diametro di 1,4 mm. L'avvolgimento è fissato con guaina termoretraibile. La resistenza dell'avvolgimento calcolata è 0,006 Ohm, la caduta di tensione con una corrente di 15 A è 0,09 V, la dissipazione di potenza massima è 1,35 W. Relè K2 - automobilistico 90.3747-01, in grado di commutare corrente fino a 30 A. Interruttori termici SF1 e SF2 - RB5-2 con una temperatura operativa di 60 ° C, precedentemente ampiamente utilizzati nei computer dell'UE. Un interruttore è regolato su una temperatura operativa di 50 °C. Gli interruttori termici possono essere sostituiti con B1009 importati per la temperatura adeguata, ma poiché i loro contatti sono normalmente chiusi, devono essere accesi tramite inverter. Il motore elettrico M1 è una ventola utilizzata per raffreddare gli alimentatori dei computer IBM.

Il LED ALC331A (HL1) può essere sostituito con uno bicolore importato o con due qualsiasi monocolore (rispettivamente rosso e verde). I transistor KT818GM (VT1-VT4) sono intercambiabili con potenti transistor pnp con una dissipazione di potenza massima di almeno 100 W, ad esempio delle serie KT825, KT865, KT8102.

Resistori R9-R12 - C5-16MV con una potenza di 2 W. Possono essere sostituiti con quelli fatti in casa realizzati con filo di nicromo con un diametro di 0,8...1 mm. Puoi fare a meno di questi resistori se selezioni i transistor in base a correnti di collettore uguali a tensioni base-emettitore uguali.

Per motivi di affidabilità, sono stati utilizzati resistori variabili a filo avvolto PPZ-45 (R2, R4) e resistori multigiro di sintonizzazione SP5-ZV (R3, R5, R13, R17), ma possono essere sostituiti con qualsiasi altro. I diodi KD522A (VD3-VD8, VD11) sono sostituibili con qualsiasi diodi al silicio a bassa potenza e i diodi KD258A (VD2, VD9, VD10) sono sostituibili con qualsiasi con una corrente massima di almeno 1 A.

Per misurare tensione e corrente sono state utilizzate teste di misura M4203 con una resistenza di 500 Ohm e una deviazione di corrente totale di 1 mA. L'uso di altre teste di misura richiederà il ricalcolo della resistenza dei resistori R13, R16, R17.

Condensatori C6-C9 - K50-37, ma è accettabile utilizzarne altri. Va ricordato che la loro capacità totale deve essere di almeno 2000 μF per ogni ampere di corrente di carico e la tensione nominale deve superare la tensione di uscita del raddrizzatore alla massima tensione di alimentazione.

Condensatori C5, C10-C12, C14 - tantalio K52-1, K52-2 e K53-1A. Se si utilizzano condensatori all'ossido di alluminio, la loro capacità dovrebbe essere aumentata più volte. I restanti condensatori sono ceramici.

Interruttore SA1 - T2 o altro, progettato per una corrente di almeno 3 A. Interruttori SA2, SA3 - MT1, pulsante SB1 - KM-1, ma possono essere sostituiti con qualsiasi altro.

Al posto del fotoaccoppiatore a tiristori AOU103A è consentito utilizzare qualsiasi fotoaccoppiatore della serie AOU115.

L'alimentatore è assemblato in un contenitore metallico rettangolare con dimensioni di 230x120x300 mm. I fori di ventilazione sono praticati nei pannelli superiore, inferiore e laterale del case. Sul pannello frontale sono presenti strumenti di misura, terminali di uscita, terminali dell'interruttore dell'intervallo della tensione di uscita, un interruttore di alimentazione, interruttori per il motore del ventilatore e l'allarme sonoro, regolatori per la tensione di uscita R2 e la corrente di intervento della protezione R4, nonché un LED per la segnalazione dello viaggio di protezione.

Il pannello posteriore è in alluminio di spessore 3 mm. I transistor VT8-VT1, i microcircuiti DA4-DA1, il ponte raddrizzatore VD3 e gli interruttori termici sono fissati ad esso tramite distanziatori in mica rivestiti su entrambi i lati con pasta KPT-1. La ventola è installata sul pannello posteriore sopra i transistor VT1-VT4 sui rack. Negli spazi liberi sottostanti sono praticati fori di ventilazione. Anche i fusibili FU1 e FU2 si trovano sul pannello posteriore.

L'installazione dell'apparecchio è prevalentemente a cerniera, su morsetti e cremagliere isolanti. L'installazione dei circuiti di potenza viene eseguita con un filo a trefolo con una sezione trasversale di 2,5 mm2 di lunghezza minima. I condensatori C6-C9 sono avvitati con viti di contatto su un pannello in fibra di vetro, che è fissato al pannello laterale con staffe. Un filo di rame con un diametro di 1,4 mm è saldato sui conduttori stampati tra i terminali dei condensatori per l'intera lunghezza. Il trasformatore è fissato al pannello inferiore tramite angoli.

La configurazione di un alimentatore si riduce alla regolazione dell'unità di protezione e alla calibrazione dell'amperometro e del voltmetro. Ciò richiederà un voltmetro con un limite di misurazione di 35 V, un amperometro con un limite di misurazione di 20 A, un alimentatore stabilizzato ausiliario con una tensione di uscita massima di 35 V e resistori di carico variabile (reostati) con una resistenza di 10 e 100 ohm o carico equivalente. L'unità di protezione viene regolata nella seguente sequenza.

1. Per prima cosa regolare l'unità di protezione da sovratensione.

1.1. Il resistore variabile R4 è impostato sulla posizione di massima resistenza.

1.2 Collegare il voltmetro con il terminale positivo all'uscita dello stabilizzatore DA1 e il terminale negativo all'uscita dello stabilizzatore DA3.

1.3. Modificando la tensione di uscita dell'alimentatore negli intervalli di 1 2... 15 e 1,2... 30 V, utilizzando il resistore R3, assicurarsi che la tensione misurata sia sempre positiva e il suo valore sia minimo e non superi 1,5 V. Se non fosse possibile farlo, è necessario scambiare i resistori R2.1 e R2.2 o selezionare il resistore R2 con un disadattamento minore.

1.4. Impostare la tensione di uscita dell'alimentatore su 30 V

1.5. Scollegare l'uscita destra del resistore R8 dall'uscita dell'alimentatore e applicare ad essa la tensione (leggermente inferiore a 30 V) da una sorgente ausiliaria.

1.6. Aumentando gradualmente la tensione della sorgente ausiliaria, il momento in cui interviene la protezione viene registrato dal cambiamento di colore del led. La tensione di uscita della sorgente ausiliaria in questo caso non deve superare 32 V.

1.7. Ripristinare il collegamento della resistenza R8 con l'uscita PSU.

La funzionalità della protezione da sovratensione può essere verificata anche durante il funzionamento. La capacità del condensatore C12 dello stabilizzatore principale DA3 è maggiore della capacità del condensatore C5, di scopo simile, nello stabilizzatore aggiuntivo DA1. L'aumento della capacità aiuta a ridurre il livello di ondulazione all'uscita dello stabilizzatore principale, ma allo stesso tempo aumenta l'inerzia nella regolazione della tensione di uscita dell'alimentatore. Se il cursore del resistore R2 viene ruotato bruscamente nella direzione della diminuzione della tensione, a causa della maggiore capacità, la tensione di uscita dell'alimentatore supererà brevemente la tensione di uscita dello stabilizzatore DA1, attivando la protezione.

2. Quindi regolare l'unità di protezione corrente.

2.1. I circuiti sono interrotti tra i resistori R4 e R5, tra il terminale 4 dell'avvolgimento aggiuntivo del relè K1 e i contatti K2.1 del relè K2.

2.2. Tra il terminale 4 dell'avvolgimento aggiuntivo del relè K1 e il filo comune sono collegati in serie un resistore di carico con una resistenza di 10 Ohm e un amperometro.

2.3. Riducendo la resistenza del resistore di carico, viene misurata la corrente di funzionamento della protezione, che dovrebbe essere compresa tra 16 e 18 A. Ciò si ottiene modificando il numero di giri dell'avvolgimento aggiuntivo 3-4 del relè K1.

2.4. Ripristinare il collegamento tra i resistori R4 e R5. La resistenza di carico da 10 ohm viene sostituita con una da 100 ohm.

2.5. Il resistore variabile R4 è impostato sulla posizione di resistenza minima e il resistore di sintonizzazione R5 è impostato sulla resistenza massima.

2.6. Modificando la resistenza del resistore di carico, la corrente viene impostata su 0,5 A.

2.7. Spostando il cursore del resistore di sintonia R5 si attiva la protezione.

2.8. La resistenza di carico da 100 Ohm viene sostituita con una da 10 Ohm. Il resistore variabile R4 è impostato sulla posizione di massima resistenza.

2.9. Modificando la resistenza del resistore di carico, viene misurata la corrente di funzionamento della protezione. Se il suo valore è diverso da 15 A, sarà necessario selezionare il resistore R4.

2.10. Impostando diversi valori della corrente di carico, viene calibrata la scala del resistore variabile R4.

2.11. Scollegare la resistenza di carico e l'amperometro. Ripristinare il collegamento tra il pin 4 del relè K1 ed i contatti K2.1.

L'amperometro e il voltmetro sono calibrati secondo metodi generalmente accettati. Tieni presente che la scala dell'amperometro non è lineare.

In conclusione, va notato che quasi tutti gli alimentatori possono essere dotati di un'unità di protezione simile o dei suoi singoli elementi.

Letteratura

Nechaev I. Potente convertitore di tensione di piccole dimensioni. - Radio, 2003, n. 2, pag. 29, 30.
Shcherbina A., Blagiy S, Ivanov V. Applicazione degli stabilizzatori a microcircuito delle serie 142, K142 e KR142 - Radio, 1991, n. 3, p. 47-51; N. 5, pag. 68-70.

Autore: E. Kolomoets, Irkutsk

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