Регулируемый блок питания - неотъемлемая часть радиолюбительской лаборатории. В журнале "Радио" было описано немало подобных устройств, однако некоторые из них имеют низкий КПД. Дело в том, что чаще всего лабораторные блоки питания изготавливают на основе линейных стабилизаторов, поскольку устранить основной недостаток импульсных источников - повышенный уровень пульсаций - нередко очень сложно. Как правило, следствие подобного схемотехнического решения - повышенные потери мощности. Автор предлагает свой вариант решения этой проблемы.
Увеличить КПД стабилизатора можно, сделав его двуступенным: первая ступень - импульсный предварительный стабилизатор; вторая - обычный линейный. Обе ступени охвачены обратной связью, благодаря которой на линейном стабилизаторе поддерживается минимально допустимое падение напряжения и, тем самым, обеспечивается высокий КПД.
Импульсные стабилизаторы, собранные на современной элементной базе [1, 2], обеспечивают высокие эксплуатационные параметры, в том числе малые потери. Эти устройства были взяты за основу при разработке предлагаемого лабораторного блока питания.
Основные технические характеристики
- Входное напряжение, В......43
- Интервал выходного напряжения, В......0...35
- Максимальный ток нагрузки, А......7,5
- Частота преобразования импульсного стабилизатора, кГц......55
Схема устройства показана на рис. 1. Импульсный стабилизатор первой ступени собран на микросхеме ШИ-контроллера TL598 (DA4) фирмы Texas Instruments, которая управляет коммутирующим транзистором IRF9540 (VT3). Микросхема TL598 отличается от распространенной TL494 наличием на выходе двухтактного усилителя (ближайший по характеристикам отечественный ШИ-контроллер - КР1114ЕУ4). Применение именно этой микросхемы обусловлено ее высокими техническими параметрами: выходным током до 0,2 А, тактовой частотой до 300 кГц, а также небольшой ценой.
Использование коммутирующих полевого транзистора IRF9540 (VT3) и диода Шотки КД2998Г (VD2) с малыми падением напряжения и временем восстановления позволили увеличить КПД импульсного стабилизатора примерно до 90 %. Для увеличения пределов регулирования выходного напряжения буферный усилитель на транзисторной сборке VT2 питают от вспомогательного стабилизатора на микросхеме DA2. Параметрический стабилизатор напряжения на полевом транзисторе VT4 и стабилитроне VD9 улучшает коэффициент стабилизации и позволяет работать при большем входном напряжении. Резистор R9 в цепи фильтрующего конденсатора С8 защищает микросхему DA2 от перегрузки в момент включения устройства.
С выхода импульсного стабилизатора напряжение поступает на линейный стабилизатор, собранный на микросхеме DA1 с малым падением напряжения. При таком схемном решении выходные характеристики лабораторного блока определяются параметрами микросхемы, которая обеспечивает хорошее подавление пульсаций, защиту по току и от перегрева, а потери мощности на ней примерно равны 5 %.
Чтобы выходное напряжение блока регулировать от нуля, в цепь управляющего вывода микросхемы DA1 подают напряжение -15 В от отдельного источника.
Транзисторная оптопара U1 поддерживает падение напряжения на линейном стабилизаторе примерно 1,5 В. Если падение напряжения на микросхеме увеличивается (например, вследствие увеличения входного напряжения), излучающий диод оптопары и, соответственно, фототранзистор открываются. ШИ-контроллер выключается, закрывая коммутирующий транзистор. Напряжение на входе линейного стабилизатора уменьшится.
Для повышения стабильности резистор R3 размещают как можно ближе к микросхеме стабилизатора DA1.
Дроссели L1, L2 - отрезки ферритовых трубок, надетых на выводы затворов полевых транзисторов VT1, VT3. Длина этих трубок равна примерно половине длины вывода.
Дроссель L3 наматывают на двух сложенных вместе кольцевых магнитопроводах К36х25х7,5 из пермаллоя МП140. Его обмотка содержит 45 витков, которые намотаны в два провода ПЭВ-2 диаметром 1 мм, уложенных равномерно по периметру магнитопровода.
Поскольку при токе нагрузки, близком к максимальному, на стабилизаторе DA1 и транзисторе VT3 выделяется значительная мощность, их следует установить на теплоотводы площадью не менее 30 см2. Транзистор IRF9540 (VT3) допустимо заменить на IRF4905, а транзистор IRF1010N (VT1) - на BUZ11, IRF540, КП727Б.
Площадь теплоотводов рассчитывают по методике, изложенной в [3].
Если потребуется блок с выходным током, превышающим 7,5 А, необходимо добавить еще один стабилизатор DA5 параллельно DA1 (рис. 2). Тогда максимальный ток нагрузки достигнет 15 А. В этом случае дроссель L3 наматывают жгутом, состоящим из четырех проводов ПЭВ-2 диаметром 1 мм, и увеличивают примерно в два раза емкость конденсаторов С1- C3. Резисторы R18, R19 подбирают по одинаковой степени нагрева микросхем DA1, DA5. ШИ-контроллер следует заменить другим, допускающим работу на более высокой частоте, например, КР1156ЕУ2.
Если же необходимости в большом токе нагрузки нет, стабилизатор КР142ЕН22А можно заменить на КР142ЕН22 (максимальный ток 5 А) или КР142ЕН12А(1,5А).
Литература
Автор: С.Коренев, г.Красноярск