Fonte de alimentação de laboratório com proteção integrada. Esquema, descrição

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Fonte de alimentação de laboratório com proteção abrangente. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Todo radioamador envolvido no desenvolvimento e reparo de equipamentos de rádio gostaria de ter em seu laboratório uma fonte de alimentação universal, como dizem, para todas as ocasiões. Tal fonte deve ter tensão de saída amplamente ajustável, alta corrente, alta estabilidade de tensão, baixa ondulação, proteção confiável (contra sobrecorrente, sobretensão e superaquecimento), garantindo a segurança tanto do equipamento alimentado quanto da própria fonte. A fonte de alimentação deve ser simples e não conter componentes escassos, caros ou grandes.

As tentativas de encontrar uma descrição de um dispositivo acabado que atendesse aos requisitos acima não tiveram sucesso, então o autor teve que desenvolver uma unidade semelhante por conta própria. Julgue por si mesmo o que aconteceu.

Ao desenvolver a unidade de fonte de alimentação de laboratório (PSU) proposta, a atenção principal foi dada à unidade de proteção. Segundo o autor, para garantir a máxima confiabilidade, a proteção eletrônica e eletromecânica deve ser utilizada em combinação.

A fonte de alimentação descrita implementa unidades de proteção de corrente, contra excesso de tensão na saída, bem como proteção térmica.

Para proteger equipamentos de rádio contra danos elétricos em uma ampla faixa de correntes de carga, a proteção de corrente deve ser ajustável. Durante o processo de desenvolvimento, surgiram algumas dificuldades com a implementação do sensor de corrente. Na versão clássica, trata-se de um resistor conectado ao circuito de potência, cuja queda de tensão é monitorada pela unidade de controle de proteção. Para implementar um sensor de corrente ajustável, seria necessário um resistor variável de potência muito alta com resistência de unidades a décimos e até centésimos de ohm. Assim, por exemplo, com uma resistência de sensor de corrente de 0,1 Ohm e uma corrente de 15 A, ele dissipa mais de 20 W de potência! Existe uma opção com resistores de comutação, mas neste caso a chave deve suportar a corrente máxima de carga. Além disso, a resistência dos contatos da chave é instável e proporcional à resistência dos resistores que estão sendo comutados, portanto, o limite de proteção será instável e a própria chave será muito volumosa. Claro, você pode usar um resistor constante de resistência muito baixa e amplificar a queda de tensão através dele com um amplificador DC ajustável, mas nesta forma de realização o dispositivo se tornará significativamente mais complicado.

A solução surgiu após a leitura do artigo [1] e é a seguinte: um enrolamento adicional é enrolado na carcaça do relé reed RES-55, que está incluído no circuito de alimentação até o estabilizador. A direção da corrente nos enrolamentos principal e adicional do relé é escolhida de forma que os campos magnéticos que eles criam sejam somados. Então, alterando a corrente no enrolamento principal, é possível ajustar o nível de operação da proteção de corrente da fonte de alimentação.

Nas unidades de proteção contra sobretensão na saída, costuma-se utilizar um potente diodo zener ou tiristor, que, em aumento de tensão, abre e fecha a saída da fonte de alimentação. Como resultado de um aumento acentuado na corrente, o fusível instalado no circuito de alimentação dispara.

Na unidade proposta para proteção contra sobretensão na saída, um estabilizador adicional de baixa potência é introduzido na fonte de alimentação com a mesma lei de regulação da tensão de saída do estabilizador principal. A tensão de saída do estabilizador adicional deve ser ligeiramente superior à do estabilizador principal. Ambas as tensões são fornecidas à unidade de comparação mais simples. Exceder a tensão na saída do estabilizador principal causa o disparo da proteção.

A unidade de proteção térmica é montada em interruptores térmicos.

As principais características técnicas do PSU:

Intervalos de regulação da tensão de saída, V......1,2...15; 1,2...30
Corrente máxima de carga (na faixa de 1,2...30 V é garantida em uma tensão de 15...30 V), A......15
Fator de estabilização de tensão, não inferior a ..... 100
Nível de ondulação na tensão de saída 12 V e corrente de carga 10 A, mV, não mais......30
Intervalo de regulação da corrente de atuação da proteção, А......0,5...15
Excesso de tensão de saída na qual a proteção é acionada, V, não mais......2
Temperatura de ativação do ventilador de resfriamento, °С......50
Temperatura de operação da proteção térmica, °С......60

O circuito da fonte de alimentação é mostrado na figura. Do enrolamento secundário do transformador de rede T1, a tensão alternada é fornecida à ponte retificadora VD1. Os intervalos de tensão de saída são comutados através do jumper S1: na posição esquerda conforme diagrama - 1,5...15 V; à direita - 1,2...30 V. Os capacitores C1-C4 reduzem a interferência multiplicativa. A tensão retificada, suavizada pelos capacitores C6-C9, é fornecida às entradas dos estabilizadores principal e adicional, que são montados nos microcircuitos DA3 e DA1, conectados conforme circuito padrão [2]. Para aumentar a corrente de saída do estabilizador principal, são utilizados transistores reguladores VT1-VT4, nos circuitos emissores dos quais estão instalados resistores equalizadores de corrente R9-R12. Os diodos VD2, VD3, VD10 e VD11 são de proteção. A tensão de saída dos estabilizadores principal e adicional é regulada por um resistor variável duplo R2. O resistor R3 define o excesso mínimo da tensão do estabilizador adicional sobre a tensão do principal, necessário para o correto funcionamento da unidade de proteção.

(clique para ampliar)

A tensão na saída da fonte de alimentação é medida com um voltímetro PV1 e a corrente de saída com um amperímetro PA1.

Para aumentar a estabilidade operacional, a unidade de proteção de corrente é alimentada pelo estabilizador DA2. O resistor R4 regula a corrente no enrolamento principal 1-2 do relé reed K1, como resultado da mudança da corrente de operação no enrolamento adicional 3-4. Se a corrente de saída da fonte de alimentação ultrapassar o valor ajustado, o relé K1 é acionado, os contatos K1 1 ligam o relé K2 e se autobloqueiam através do diodo VD8. O relé K2 operará e os contatos K2.1 desconectarão o estabilizador principal do retificador. Neste caso, a cor do LED HL1 mudará de verde para vermelho e o alarme sonoro será acionado (emissor sonoro HA1 com gerador embutido). O alarme sonoro pode ser desligado através do interruptor SA3. Após eliminar a causa da proteção de corrente, a fonte de alimentação retorna ao seu estado original pressionando o botão “Reset” do SB1. Os diodos VD7 e VD9 limitam a tensão de autoindução dos enrolamentos do relé K1 e K2.

No nó de comparação das tensões dos estabilizadores principal e adicional, é utilizado um optoacoplador tiristorizado U1. As tensões dos estabilizadores são fornecidas ao diodo emissor do optoacoplador, que está fechado no estado inicial. Se a tensão na saída do estabilizador principal aumentar por algum motivo, o tiristor do optoacoplador abrirá, o que acionará a proteção conforme descrito acima. Os diodos VD4-VD6 protegem o diodo emissor do optoacoplador contra sobrecarga e o resistor R8 limita a corrente.

A proteção térmica é fornecida nos interruptores térmicos SF1 e SF2. A chave SF1 é acionada se a temperatura do dissipador atingir 50 °C e liga o motor do ventilador M1. Se a temperatura do dissipador de calor continuar aumentando, a 60°C a chave SF2 irá disparar, o que ativará a proteção. O motor do ventilador M1 pode ser ligado à força usando a chave SA2.

O principal elemento que determina os parâmetros elétricos e as dimensões da fonte de alimentação é o transformador de rede T1. O autor utilizou um transformador de núcleo pronto com potência total de aproximadamente 600 W, que possui um enrolamento secundário com tensão de saída de 30 V com saída média. Qualquer transformador com as características exigidas pode ser utilizado na fonte de alimentação.

A ponte de diodos MB351 (VD1) pode ser substituída por qualquer retificador da série MB ou KVRS. Como último recurso, a ponte pode ser montada a partir de diodos individuais que fornecem a corrente de carga necessária.

A chave de intervalo de tensão de saída S1 é composta por três terminais de dispositivo conectados por um jumper.

Os estabilizadores KR142EN22A são substituíveis por qualquer uma desta série ou análogos importados das séries SD1083 DV1083, LT1083, SD1084, DV1084, LT1084, e o estabilizador KR142EN8B pode ser substituído por um análogo importado 7812.

Relé K1 - RES-55B versão RS4.569.600-00 (passaporte RS4.569.626). As versões de relé RS4.569.600-05 (passaporte RS4.569.631), RS4.569.600-01 (passaporte RS4.569.627) e RS4.569.600-06 (passaporte RS4.569.632) também são adequadas. Se o relé não operar com tensão de 12 V, a tensão do estabilizador DA2 deve ser aumentada até que o relé funcione de forma confiável (com margem de 1,5...2 V) conectando um ou dois diodos de silício de baixa potência entre pino 2 do microcircuito e fio comum.O pino do corpo do relé é removido. Um enrolamento adicional com fio PETV (PEV) é enrolado no corpo do relé. Ao escolher o diâmetro do fio, deve-se focar na densidade de corrente de 10 A/mm. Na versão do autor, o enrolamento adicional contém 16 voltas de fio com diâmetro de 1,4 mm. O enrolamento é fixado com tubo termorretrátil. A resistência calculada do enrolamento é de 0,006 Ohm, a queda de tensão com uma corrente de 15 A é de 0,09 V, a dissipação máxima de potência é de 1,35 W. Relé K2 - automotivo 90.3747-01, capaz de comutar correntes de até 30 A. Chaves térmicas SF1 e SF2 - RB5-2 com temperatura de operação de 60 ° C, anteriormente amplamente utilizadas em computadores da UE. Um interruptor é ajustado para uma temperatura operacional de 50 °C. As chaves térmicas podem ser substituídas por B1009 importados para a temperatura adequada, mas como seus contatos normalmente são fechados, devem ser acionados através de inversores. O motor elétrico M1 é um ventilador usado para resfriar fontes de alimentação de computadores IBM.

O LED ALC331A (HL1) pode ser substituído por um bicolor importado ou por quaisquer dois monocromáticos (vermelho e verde, respectivamente). Os transistores KT818GM (VT1-VT4) são intercambiáveis com poderosos transistores pnp com dissipação de potência máxima de pelo menos 100 W, por exemplo, das séries KT825, KT865, KT8102.

Resistores R9-R12 - C5-16MV com potência de 2 W. Podem ser substituídos por caseiros feitos de fio de nicromo com diâmetro de 0,8...1 mm. Você pode ficar sem esses resistores se selecionar transistores com base em correntes de coletor iguais em tensões base-emissor iguais.

Por razões de confiabilidade, foram utilizados resistores variáveis enrolados PPZ-45 (R2, R4) e resistores multivoltas de sintonia SP5-ZV (R3, R5, R13, R17), mas podem ser substituídos por qualquer um. Os diodos KD522A (VD3-VD8, VD11) são substituíveis por qualquer diodo de silício de baixa potência, e os diodos KD258A (VD2, VD9, VD10) são substituíveis por qualquer um com corrente máxima de pelo menos 1 A.

Para medir tensão e corrente, foram utilizados cabeçotes de medição M4203 com resistência de 500 Ohms e desvio total de corrente de 1 mA. O uso de outros cabeçotes de medição exigirá o recálculo da resistência dos resistores R13, R16, R17.

Capacitores C6-C9 - K50-37, mas é aceitável usar qualquer outro. Deve-se lembrar que sua capacidade total deve ser de pelo menos 2000 μF para cada ampere de corrente de carga, e a tensão nominal deve exceder a tensão de saída do retificador na tensão máxima de alimentação.

Capacitores C5, C10-C12, C14 - tântalo K52-1, K52-2 e K53-1A. Se forem utilizados capacitores de óxido de alumínio, sua capacidade deverá ser aumentada várias vezes. Os capacitores restantes são de cerâmica.

Chave SA1 - T2 ou outra, projetada para corrente de no mínimo 3 A. Chaves SA2, SA3 - MT1, botão SB1 - KM-1, mas podem ser substituídas por quaisquer outras.

Em vez do optoacoplador tiristor AOU103A, é permitido usar qualquer optoacoplador da série AOU115.

A fonte de alimentação é montada em uma caixa metálica retangular com dimensões de 230x120x300 mm. Furos de ventilação são feitos nos painéis superior, inferior e laterais do gabinete. O painel frontal contém instrumentos de medição, terminais de saída, terminais de chave de intervalo de tensão de saída, chave liga / desliga, chaves para motor do ventilador e alarme sonoro, reguladores para tensão de saída R2 e corrente de disparo de proteção R4, além de um LED para sinalização do viagem de proteção.

O painel traseiro é feito de alumínio com 3 mm de espessura. Os transistores VT8-VT1, microcircuitos DA4-DA1, ponte retificadora VD3 e chaves térmicas são fixados a ele através de espaçadores de mica revestidos em ambos os lados com pasta KPT-1. A ventoinha é instalada no painel traseiro acima dos transistores VT1-VT4 nos racks. Furos de ventilação são feitos nos espaços livres abaixo. Os fusíveis FU1 e FU2 também estão localizados no painel traseiro.

A instalação do dispositivo é principalmente articulada, em terminais e racks isolantes. A instalação dos circuitos de potência é realizada com fio trançado com seção transversal de 2,5 mm2 de comprimento mínimo. Os capacitores C6-C9 são aparafusados com parafusos de contato a uma placa de fibra de vidro, que é fixada ao painel lateral com suportes. Um fio de cobre com diâmetro de 1,4 mm é soldado nos condutores impressos entre os terminais dos capacitores ao longo de todo o comprimento. O transformador é fixado ao painel inferior por meio de cantos.

Configurar uma fonte de alimentação se resume a ajustar a unidade de proteção e calibrar o amperímetro e o voltímetro. Isso exigirá um voltímetro com limite de medição de 35 V, um amperímetro com limite de medição de 20 A, uma fonte de alimentação auxiliar regulada com tensão máxima de saída de 35 V e resistores de carga variável (reostatos) com resistência de 10 e 100 ohms ou carga equivalente. A unidade de proteção é ajustada na seguinte sequência.

1. Primeiro ajuste a unidade de proteção contra sobretensão.

1.1. O resistor variável R4 é colocado na posição de resistência máxima.

1.2 Conecte o voltímetro com o terminal positivo à saída do estabilizador DA1 e o terminal negativo à saída do estabilizador DA3.

1.3. Alterando a tensão de saída da fonte de alimentação nos intervalos de 1 2... 15 e 1,2... 30 V, utilizando o resistor R3, certifique-se de que a tensão medida seja sempre positiva, e seu valor seja mínimo e não ultrapasse 1,5 V. Caso não seja possível fazer isso, deve-se trocar os resistores R2.1 e R2.2 ou selecionar o resistor R2 com menor incompatibilidade.

1.4. Defina a tensão de saída da PSU para 30 V

1.5. Desconecte a saída direita do resistor R8 da saída da fonte de alimentação e aplique tensão (um pouco menos de 30 V) de uma fonte auxiliar a ela.

1.6. Ao aumentar gradativamente a tensão da fonte auxiliar, o momento do acionamento da proteção é registrado pela mudança na cor do LED. A tensão de saída da fonte auxiliar neste caso não deve exceder 32 V.

1.7. Restaure a conexão do resistor R8 com a saída PSU.

A capacidade de manutenção da proteção contra sobretensão também pode ser verificada durante a operação. A capacidade do capacitor C12 do estabilizador principal DA3 é maior que a capacidade do capacitor C5, de finalidade semelhante, no estabilizador adicional DA1. O aumento da capacitância ajuda a reduzir o nível de ondulação na saída do estabilizador principal, mas ao mesmo tempo aumenta a inércia de ajuste da tensão de saída da fonte de alimentação. Se o controle deslizante do resistor R2 for girado bruscamente na direção de diminuição da tensão, devido à maior capacitância, a tensão de saída da fonte de alimentação excederá brevemente a tensão de saída do estabilizador DA1, o que acionará a proteção.

2. Em seguida, ajuste a unidade de proteção de corrente.

2.1. Os circuitos são interrompidos entre os resistores R4 e R5, entre o terminal 4 do enrolamento adicional do relé K1 e os contatos K2.1 do relé K2.

2.2. Entre o terminal 4 do enrolamento adicional do relé K1 e o fio comum, um resistor de carga com resistência de 10 Ohm e um amperímetro são conectados em série.

2.3. Ao reduzir a resistência do resistor de carga, mede-se a corrente de operação da proteção, que deve estar na faixa de 16...18 A. Isso é conseguido alterando o número de voltas do enrolamento adicional 3-4 do relé K1.

2.4. Restaure a conexão entre os resistores R4 e R5. O resistor de carga de 10 ohms é substituído por 100 ohms.

2.5. O resistor variável R4 é ajustado para a posição de resistência mínima e o resistor de sintonia R5 é ajustado para resistência máxima.

2.6. Alterando a resistência do resistor de carga, a corrente é ajustada para 0,5 A.

2.7. Ao mover o controle deslizante do resistor de sintonia R5, a proteção é ativada.

2.8. O resistor de carga de 100 Ohm é substituído por um de 10 Ohm. O resistor variável R4 é colocado na posição de resistência máxima.

2.9. Ao alterar a resistência do resistor de carga, a corrente de operação da proteção é medida. Se seu valor for diferente de 15 A, será necessário selecionar o resistor R4.

2.10. Ao definir vários valores de corrente de carga, a escala do resistor variável R4 é calibrada.

2.11. Desconecte o resistor de carga e o amperímetro. Restaure a conexão entre o pino 4 do relé K1 e os contatos K2.1.

O amperímetro e o voltímetro são calibrados de acordo com métodos geralmente aceitos. Observe que a escala do amperímetro não é linear.

Em conclusão, deve-se notar que quase qualquer fonte de alimentação pode ser equipada com uma unidade de proteção semelhante ou com seus elementos individuais.

Literatura

Nechaev I. Conversor de tensão poderoso de pequeno porte. - Rádio, 2003, nº 2, p. 29, 30.
Shcherbina A., Blagiy S, Ivanov V. Aplicação de estabilizadores de microcircuitos das séries 142, K142 e KR142. - Rádio, 1991, nº 3, p. 47-51; Nº 5, pág. 68-70.

Autor: E. Kolomoets, Irkutsk

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