Klasický laboratórny zdrojJanuár 2019
Ako to vznikloPred mnohými rokmi som si urobil "laboratórny zdroj" - dvakrát nezávislých 0,7 až 15V/1A s nastaviteľnou prúdovou limitáciou a pridaných neregulovaných 5V/1A. Zdroj bol postavený na báze MAA723, fungoval pomerne uspokojivo desiatky rokov a vydržal toho dosť. Chýbala mu indikácia výstupného napätia a prúdová limitácia sa nastavovala dosť hrubo. Že desiatky rokov mal zdroj len provizórne stupnice na napäťových a prúdových gombíkoch, ani netreba hovoriť. Túto zimu sa zdroju niečo stalo. Asi v dôsledku veľkého chladu v dielni začal transformátor bzučať viac, ako bolo znesiteľné. Tak prišiel ten deň... Koncepcia zdroja s MAA723 nie je až taká zastaralá. Navyše, ak zdroj už v podstate je hotový, tak by, po ošetrení transformátora, pridaní meráka na výstupné napätia a prúdy a nakreslení stupníc pre reguláciu napätia a prúdu, nemalo dať až tak veľa roboty uviesť ho do chodu. Lenže na to treba zdroj úplne rozobrať, lebo otvor pre merák na čelnom paneli sa na zostavenom zdroji robí ťažko. A keď je zdoj už rozobraný, tak by sa mohla zlepšiť aj tá prúdová limitácia. Principálnu myšlienku na rekonštrukciu zdroja mi vnukla konštrukcia nabíjačky pre lítiové batérie pre akumulátorovú nabíjačku. Nabíjačka je zdroj konštantného napätia s prúdovou limitáciou. Schéma sa dá nájsť v katalógových listoch mnohých výrobcov čipu 317, inšpirujúci je katalógový list firmy National Semiconductor "LM117/LM317A/LM317 3-Terminal Adjustable Regulator". Na strane 22 je nasledovná schéma: Schéma jednoduchej nabíjačky:
Ako vidno, štandardný napäťový regulátor je doplnený tranzistorom so snímacím odporom. Prúd pretekajúci spotrebičom (nabíjanou batériou) preteká aj cez snímací odpor. To má za následok vznik napätia na snímacom odpore. Ak napätie dosiahne hodnotu, pri ktorej sa začne otvárať tranzistor, spôsobí to zníženie napätia na nastavovacom vstupe čipu 317 a v dôsledku toho aj limitáciu výstupného prúdu. Tranzistor funguje ako invertujúci zosilňovač. Porovnáva otváracie napätie prechodu B-E s napätím na snímacom odpore. Zdá sa, že pre jednoduché aplikácie je takéto riešenie postačujúce. Ak by sa však malo použiť na plynulé nastavovanie limitácie výstupného prúdu, bolo by to technicky dosť obťiažne. Na Internete som našiel projekt, kde sa tento problém riešil prepínaním snímacích odporov rozličných hodnôt. Pre nabíjačku to môže byť postačujúce, ale pre laboratórny zdroj je to nevyhovujúce... Problém prúdovej limitácie sa dá, za cenu istých komplikácií, vyriešiť pomocou operačného zosilňovača.
Nahradenie tranzistora operačným zosilňovačom prináša možnosť plynulej regulácie referenčného napätia. Komplikáciu to prináša v potrebe napájacieho zdroja záporného napätia pre operačný zosilňovač, čo však prináša aj výhodu, že zapojenie regulátora možno upraviť tak, aby sa výstupné napätie dalo regulovať od nuly. Zdroj záporného napätia pri klasickom dizajne potrebuje ďalšie vinutie na transformátore alebo ďalší transformátor.Toto vinutie nemusí byť výkonové, lebo odoberaný prúd je v len niekoľko desiatok mA. Moderné riešenie je použitie meniča, ktorý tiež nemusí byť výkonový. Ja som použil klasické riešenie. Zdroj nízkeho referenčného napätia možno realizovať pomocou diódy. Klasické kremíkové diódy poskytujú napätie okolo 0,65 V, Shottkyho diódy, v závislosti od typu, okolo 0,25 až 0,35 V. Strmšiu V-A charakteristiku, ako diódy, majú tranzistory s bázou spojenou s kolektorom. Samotný kremíkový tranzistor poskytuje okolo 0,63 V, ak sa do bázy vloží dióda, je výsledné napätie zhruba dvojnásobné. Výsledná schéma je doplnená o ochranné prvky tak pre LM317T, ako aj pre operačný zosilňovač. Okrem toho obsahuje aj úpravu na reguláciu výstupného napätia od nuly.
je jednostranný a má rozmery 55 x 107 mm (obrázok má rozlíšenie 300 dpi). Stabilizátor LM317T nie je na plošnom spoji - je vyvedený na chladič. Na zabezpečenie stability sú priamo na jeho vývody prispájkované dva keramické kondenzátory 100 nF (na napätie aspoň 40 V). Kondenzátory sú medzi vstupom a ADJ a výstupom a ADJ.
nie je problematické, plošný spoj je navrhnutý pre klasické súčiastky. Oproti schéme je na doske navyše jeden blokovací kondenzátor 100n (C8x), lebo tam bolo miesto. Nie je nevyhnutné ho osadiť. Výstupný kondenzátor C4 je prispájkovaný zo spodu plošného spoja. Body pre pripojenie prívodov k LM317T sú označené ako "L7317-1", "L7317-2" a "L7317-3", kde posledná číslica je číslo vývodu. Body pre pripojenie potenciometra 5 k na reguláciu výstupného napätia sú označené "Ya" a "Yb". Maximálne výstupné napätie sa nastaví pri potenciometri P2 na maximum pomocou trimra R2. Body pre pripojenie potenciometra 500 (470) Ohm na reguláciu výstupného prúdu sú označené "Xa", "Xb" a "Xc". Maximálny výstupný prúd sa nastavuje hodnotou snímacieho odporu R4. Navinul som ho z odporového drôtu získaného zo starého drôtového odporu. Odpory takýchto malých hodnôt sa bežnými multimetrami nedajú presne merať. Treba použiť ampérmeter, voltmeter a zdroj so žiarovkou (na obmedzenie prúdu). Odpor sa vypočíta pomocou Ohmovho zákona. Skúšal som aj konštantánový drôt z výhrevnej špirály. Vyhovuje tiež, ale nedá sa spájkovať. Ak by sa niekto rozhodol poskladať tento odpor z paralelnej kombinácie väčších odporov, treba zohľadniť, že výsledné maximálne výkonové namáhanie je až okolo 0,7 W. Konkrétna hodnota odporu sa vypočíta z Ohmovho zákona ako podiel referenčného napätia (okolo 0,63V) a maximálneho požadovaného výstupného prúdu (1,5 A): 0,63/1,5 = 0,42 Ohm. Ak bude odpor v skutočnosti väčší, nepodarí sa nastaviť maximálny požadovaný výstupný prúd. S ohľadom na maximálny výstupný prúd 1,5 A treba upozorniť, LM317 má vnútornú limitáciu maximálneho výstupného prúdu okolo 1,5 A, takže skutočne dosiahnutý maximálny výstupný prúd bude výsledkom vzťahu týchto dvoch parametrov. Za pozornosť stojí, že usmerňovacie diódy D1 až D4 a D9 až D12 sú montované nastojato a prípojné body pre privedenie striedavého napätia sú vlastne vo vzduchu. Diódy 1N5400 sú na maximálny prúd 3 A. Ak by mali byť trvale zaťažované takým prúdom, bolo by treba aby obidva vývody boli prispájkované na plošný spoj dostatočnej veľkost kvôli chladeniu. Keďže však navrhovaný zdroj nemá také ambície, nie je to potrebné a dá sa ušetriť trochu miesta tým, že sa diódy namontujú vertikálne. Filtračné elektrolytické kondenzátory C2 a C7 musia byť na vrcholové napätie striedavého napätia. Pre najvyššie výstupné napätie 15 V musí byť striedavé napätie z transformátora aspoň 18 V. V tom prípade musia byť kondenzátory na napätie aspoň 18 x 1,414 = 25,5 V. Ak sú napätia z transformátora vyššie, musí byť dimenzovanie kondenzátorov úmerne vyššie.
Takto vyzerá prototyp.
ZhrnutieÚčelom tohto projektu bolo potešenie z úspechu vrátiť život veciam, ktoré by inak skončili na smetisku. Na trhu sú pomerne lacné a pomerne kvalitné laboratórne zdroje, takže komerčná stránka projektu nie je podstatná. Ak by bolo potrebné všetky komponenty pre tento projekt zakúpiť, asi by to nemalo zmysel... Spínaný zdroj záporného napätia je stále možnosťou, ako zjednodušiť dizajn. Podobne, ako v prípade nabíjačky Li-ion batérií, sa ponúka použitie komerčného zdroja pre tento účel. Nie je nevyhnutné, aby zdroj záporného napätia pre operačný zosilňovač poskytoval 15 V. Celkom iste aj 5 V bude postačovať. V tom prípade sa diódy D9 až D12, ako aj stabilizátor 79L15, budú môcť vynechať a bude stačiť zmenšiť hodnotu R7. Inou alternatívou by mohlo byť skonštruovanie malého samokmitajúceho meniča poskytujúceho dostatočné záporné napätie (viac, ako 5 V) a zmena 79L15 za typ s nižším napätím. |