Laboratorní zdroj 0-30V/3mA-3A

Základní parametry

  • Vstupní napětí = 24VAC
  • Vstupní proud = 3A (max)
  • Výstupní napětí = 0 – 30VDC (regulovatelné)
  • Výstupní proud = 2mA – 3A (regulovatelný)
  • Zvlnění napětí na výstupu = max 0,01% (záleží i na použitém transformátoru)

Schéma zapojení

Schéma

Seznam součástek

  • R1 – 2,2kΩ 1W
  • R2 – 82Ω 1/4W
  • R3 – 220Ω 1/4W
  • R4 – 4,7kΩ 1/4W
  • R5, R6, R13, R20, R21 – 10kΩ 1/4W
  • R7 – 0,47Ω 5W
  • R8, R11 – 27kΩ 1/4W
  • R9, R19 – 2,2kΩ 1/4W
  • R10 – 270kΩ 1/4W
  • R12, R18 – 56kΩ 1/4W
  • R14 – 1,5kΩ 1/4W
  • R15, R16 – 1kΩ 1/4W
  • R17 – 33Ω 1/4W
  • R22 – 3,9kΩ 1/4W
  • RV1 – 100K trimr
  • P1, P2 – 10kΩ lineární potenciometr
  • C1 – 3300µF/50V elektrolyt
  • C2, C3 – 47µF/50V elektrolyt
  • C4 – 100nF polyester
  • C5 – 200nF polyester
  • C6 – 100pF keramický
  • C7 – 10µF/50V elektrolyt
  • C8 – 330 pF keramický
  • C9 – 100pF keramický
  • D1, D2, D3, D4 – 1N5402,3,4 dioda 2A – RAX GI837U
  • D5, D6 – 1N4148
  • D7, D8 – 5,6V zenerova dioda
  • D9, D10 – 1N4148
  • D11 – 1N4001 (dioda 1A)
  • Q1 – BC548, NPN tranzistor nebo BC547
  • Q2 – 2N2219 NPN tranzistor
  • Q3 – BC557, PNP tranzistor nebo BC327
  • Q4 – 2N3055 NPN výkonový tranzistor<
  • U1, U2, U3 – operační zesilovač TL081
  • D12 – LED dioda

Popis funkce

Síťový transformátor s výstupním vinutím 24V/3A je napojen na vstupu obvodu na svorky 1 a 2. Kvalita napětí na výstupu zdroje je přímo úměrná kvalitě síťového transformátoru, proto je třeba jej volit pečlivě. Střídavé napětí výstupního vinutí transformátoru je usměrněno můstkem tvořeným čtyřmi diodami D1 – D4. Stejnosměrné napětí na výstupu z můstku je vyhlazené filtrem tvořeným kondenzátorem C1 a odporem R1.

Obvod má určité vlastnosti díky kterým se liší od podobných zařízení svého druhu. Nepoužívá ke kontrole výstupního napětí uspořádání proměnné zpětné vazby, ale konstantní zesilovač, který zajištuje referenční napětí pro stabiltní výstup. Referenční napětí je generováno na výstupu U1. Zenerova dioda D8 (5.6 V) zajišťuje teplotní stabilizaci, napětí na výstupu U1 se postupně zvyšuje, dokud se dioda D8 nezapne. Poté se obvod stabilizuje a referenční napětí zenerovy diody (5.6V) se objeví na odporu R5. Proud, který prochází přes neinvertující vstup operačního zesilovače je zanedbatelný, stejný proud prochází přes odpory R5 a R6a a z toho vyplývá, že napětí na dvou sériově zapojených odporech bude dvakrát větší než na jednotlivých odporech. Napětí na výstupu operačního zesilovače (pin 6 na U1) je 11,2V, tedy dvakrát větší než referenční napětí na zenerově diodě. Integrovaný obvod U2 má konstantní zesílení přibližně rovno třem, podle vzorce A=(R11+R12)/R11, tedy zvyšuje referenční napětí z 11,2 V na zhruba 33 V. Trimr RV1 a odpor R10 upravují limity výstupního napětí, které může být redukováno na 0 V, navzdory velikostem tolerancí ostatních součástek obvodu.

Další důležitou vlastností obvodu je možnost nastavit hodnotu maximálního proudu na výstupu, čímž lze ze zdroje napětí v podstatě udělat zdroj konstntního proudu. Aby toto bylo možné, obvod detekuje úbytky napětí na odporu R7, který je sériově spojen se zátěží. Integrovaný obvod U3 je zodpovědný za funkčnost obvodu. Invertující vstup U3 je nastavený pomocí odporu R21 na 0 V. Tehdy může být neinvertující vstup na integrovaném obvodu U3 nastaven na jakékoliv napětí pomocí P2. Předpokládejme, že pro výstupní napětí několika voltů je P2 je nastaven tak, aby mělo napětí na vstupu integrovaného obvodu hodnotu 1 V. Pokud je zátěž zvýšena, napětí na výstupu zůstane konstantní díky sekci zesilovače napětí a přítomnost odporu R7 v sérii s výstupem bude mít zanedbatelný vliv kvůli jeho malé hodnotě a umístění mimo zpětnou vazbu regulačního obvodu.

Pokud je zátěž konstantní a výstupní napětí se nemění, obvod je stabilní. Pokud se zátěž zvyšuje a to tak, že úbytky napětí na odporu R7 jsou větší než 1V, integrovaný obvod IC3 je spuštěn a obvod poskytuje konstantní proud. Výstup na U3 je spojený s neinvertujícím vstupem na U2 pomocí D9. U2 slouží ke kontrole napětí a U3 je spojen s jeho vstupem, čímž může později efektivně potlačit jeho funkci. Napětí na odporu R7 je monitorováno a jeho velikost se nemůže zvyšovat nad stanovenou hodnotu (v našem případě nad 1 V).

Toto je princip udržování konstantního proud na výstupu. Obvod je tak přesný, že je možné přednastavit proudové omezení až na 2mA. Kondenzátor C8 zvyšuje stabilitu obvodu. Q3 rozsvítí LED diodu v okamžiku, kdy je elektronický omezovač aktivován. Aby se udržovalo výstupní napětí na U2 na hodnotě 0 V, je nutné vytvořit pomocí C2 a C3 záporný potenciál, stejně velký záporný potenciál je na U3. Kolem Q1 je zapojen ochraný obvod, pokud zmizí záporné napětí, Q1 odpojí napájení od výstupu odbvodu, čímž ochání napájené zařízení. Při normálním provozu je Q1 neaktivní díky R14, po výpadku záporného potenciálu se tranzistor sepne a sníží napětí na výstupu U2 na nulu. Integrovaný obvod má vnitřní ochranu proti zkratu na výstupu, což je velká výhoda zvláště pri experimentování, kdy je možné zkratovat výstup zdroje a také to eliminuje špičku na výstupu při vypnutí zdroje, což je problém některých zapojení.

Návrh plošného spoje

DPS Osazovak

Jak ukazuje následující obrázek, do desky plošného spoje je třeba připojit externí součástky a konektory. Místa pro připojení jsou následující:

  • 1 & 2 – vstup střídavého napětí ze sekundárního vinutí transformátoru
  • 3 (+) & 4 (-) – výstup stejnosměrného napětí
  • 5, 10 & 12 – připojení P1.
  • 6, 11 & 13 – připojení P2.
  • 7 (E), 8 (B), 9 (E) – výkonový tranzistor Q47 (umístěn na chladiči!)
  • na čelní panel je také vhodné umístit LED