Лабораторный блок питания на TL431

Лабораторный блок питания на TL431

Лабораторный блок питания переменного напряжения 30 В. В этой статье я предлагаю вам схему для повторения, и руководство, как сделать недорогую, качественную, стабильную и регулируемую конструкцию блока питания лабораторного типа. К тому же, этот БП легко собрать, а применять его можно в качестве источника питания для тестирования различных электронных устройств в домашних условиях.

Принципиальная схема

Электрическая схема источника питания, состоит из схемы управления, трансформатора (Т1), выпрямителя (VD4 ч- VD7), силовых регулирующих транзисторов VT3, VT4 и блока коммутации обмоток трансформатора.

Схема управления собрана на двух универсальных операционных усилителях (ОУ), расположенных в одном корпусе, и питается от отдельного трансформатора Т2. Это обеспечивает регулировку выходного напряжения от нуля, а также более стабильную работу всего устройства.

Для облегчения теплового режима работы силовых регулирующих транзисторов применен трансформатор с секционной вторичной обмоткой. Отводы автоматически переключаются в зависимости от уровня выходного напряжения при помощи реле К1, К2. Что позволяет, несмотря на большой ток в нагрузке, применить теплоотвод для VT3 и VT4 сравнительно небольших размеров, а также повысить КПД стабилизатора.

Блок коммутации предназначен для того, чтобы при помощи всего двух реле обеспечить переключение четырех отводов трансформатора, выполняет их включение в следующей последовательности: при превышении выходного напряжения уровня 6,2 В — включается К2; при превышения уровня 15,3 В включается К1(в этом случае с обмоток трансформатора поступает максимальное напряжение). Указанные пороги задаются используемыми стабилитронами (VD10, VD12). Отключение реле при снижении напряжения выполняется в обратной последовательности, но с гистерезисом примерно 0,3 В, т. е. когда напряжение снизится на это значение ниже чем при включении, что исключает дребезг при переключении обмоток.

Схема управления состоит из стабилизатора напряжения и стабилизатора тока. При необходимости устройство может работать в любом из этих режимов. Режим зависит от сопротивления регуляторов «I» (R21,R22).

Стабилизатор напряжения собран на элементах DA3, VT5, VT6.

Рис. 1. Принципиальная схема лабораторного источника питания с регулировкой тока ограничения.

Работает схема стабилизатора следующим образом. Нужное выходное напряжение устанавливается резисторами «грубо» (R9) и «точно» (R10). В режиме стабилизации напряжения сигнал обратной связи по напряжению (-Uoc) с выхода (Х2) через делитель из резисторов R9, RIO, R11 поступает на неинвертирующий вход 2 операционного усилителя DA3.

На этот же вход через резисторы R3, R5, R7 подается опорное напряжение +9 вольт. В момент включения схемы на выходе 12 DA3.1 будет увеличиваться положительное напряжение (оно через транзистор VT5 приходит на управление VT4) до тех пор, пока напряжение на выходных клеммах XI и Х2 не достигнет установленного резисторами R9, R10 уровня. За счет отрицательной обратной связи по напряжению, поступающей с выхода Х2 на вход 2 усилителя DA3.1, выполняется стабилизация выходного напряжения источника питания.

При этом выходное напряжение будет определяться соотношением:

Соответственно изменяя сопротивление резисторов R9 «грубо» и R10 «точно», можно менять выходное напряжение (Uвых) от 0 до 25 В.

Когда к выходу источника питания подключена нагрузка, в его выходной цепи начинает протекать ток, создающий положительное падение напряжения на резисторе R23 (относительно общего провода схемы). Это напряжение поступает через резистор R21, R22 в точку соединения R8, R12. Со стабилитрона VD9 через R6, R8 подается опорное отрицательное напряжение — 9 вольт.

Операционный усилитель DA3.2 усиливает разность между ними. Пока разность отрицательная (т. е. выходной ток меньше установленной резисторами R23, R24 величины), на выходе 10 DA3.2 действует + 15 В. Транзистор VT6 будет закрыт и эта часть схемы не оказывает влияния на работу стабилизатора напряжения.

При увеличении тока нагрузки до величины, при которой на входе 7 DA3.2 появится положительное напряжение, на выходе 10 DA3.2 будет отрицательное напряжение и транзистор VT6 приоткроется. В цепи R16, R17, HL1 будет протекать ток, который уменьшит открывающее напряжение на базе регулирующего силового транзистора VT4.

Свечение красного светодиода (HL1) сигнализирует о переходе схемы в режим ограничения тока. В этом случае выходное напряжение источника питания снизится до такой величины, при которой выходной ток будет иметь значение, достаточное для того, чтобы напряжение обратной связи по току (Uoc), снимаемое с резистора R10, и опорное в точке соединения R8, R12, R22 взаимно компенсировались, т. е. появился нулевой потенциал. В результате выходной ток источника окажется ограниченным на уровне, задаваемым положением движка резисторов R21, R22. При этом ток в выходной цепи будет определяться соотношением:

Диоды (VD11) на входах операционных усилителей обеспечивают защиту микросхемы от повреждения в случае включения её без обратной связи или при повреждении силового транзистора. В рабочем режиме напряжение на входах ОУ близко к нулю и диоды не оказывают влияния на работу устройства.

Конденсатор С8 ограничивает полосу усиливаемых частот ОУ, что предотвращает самовозбуждение и повышает устойчивость работы схемы.

↑ Недостатки

Основной из выявленных мной недостатков моего блока питания является корпус, он маловат. При наличии большего пространства можно было бы объединить плату А2 и А3, при желании поставить внутрь небольшой вентилятор, так же в больший корпус влезет больший трансформатор при наличии. Мой трансформатор конечно слабоват, 3 А без пульсаций получилось только при 28,5V.

При 30V, пульсации пролазят на выход, мне как всегда пару витков не хватило, но даже если бы хватило все равно ничего хорошего не получилось, так как 90 Ватт это его максимальная мощность и при длительной эксплуатации он будет греться, воск, которым я пропитал транс чувствую, потечет.

Следующий недостаток — это измерительный прибор, мало того он не может одновременно показывать ток и напряжения, так он повлек за собой датчик тока относительно большого сопротивления, который при токе 3А немного нагревается, ситуацию усугубляет плохая вентиляция в корпусе. Как следствие нагрева — изменение сопротивления шунта и мой амперметр немножко начинает врать, но это для меня не критично.

Для тех кто решит повторить схему рекомендую не повторять мои ошибки, не жалеть резисторов на шунт. Трансформатор выбрать с запасом мощности, и использовать более современный вольтметр и амперметр, цифровой например. Перечисленные мною недостатки в принципе не относятся к схемному решению, поэтому я своей работой доволен.